Что лучше чугунные батареи или биметаллические: чугунные батареи или биметаллические? Все ответы в интернет-магазине АРМАПласт.

Какие радиаторы отопления выбрать: чугунные, стальные или алюминиевые? | 5energy

В нашем холодном климате физически невозможно прожить без полноценных радиаторов отопления. Радиаторы встречаются разные – стальные, чугунные, алюминиевые и биметалличие. Но если брать во внимание дешевизну и долговечность эксплуатации, то в этом списке лидируют чугунные и алюминиевые радиаторы, которые можно свободно купить практически в любом магазине сантехники.

Чугунные батареи

Радиаторы из серого чугуна, в которых содержится исключительно большой процент углерода (более 2 процентов), способны с легкостью выдерживать воздействие самого жесткого теплоносителя, в котором растворен кислород, вызывающий ускоренную коррозию практически любого металла, кроме чугуна. 

Пусть чугунный сплав и отличается хрупкостью, но он долго служит и отличается неплохой теплопроводностью – одна секция МС-140 с видимой легкостью способна прогреть не менее 2 м² жилья в течение получаса, если температура теплоносителя окажется достаточно высокой – не мене 65 градусов. Точно зная, сколько греет каждая секция, покупатель может точно рассчитать мощность всего радиатора. Открывать форточки или устанавливать весьма дорогостоящие двухтрубные системы отопления, не придется. Подробнее об установке чугунного радиатора, читайте на нашем блоге. 

Плюсы:

• беспроблемная эксплуатация 50 лет и выше
• стабильная работа независимо от типа теплоносителя
• высокая теплоотдача, за счет большой вместительности теплоносителя, будь то води ли антифриз
• менее восприимчивый к высокой кислотности воды

Алюминиевый радиатор

Если скорость прогрева вышеуказанных радиаторов окажется высокой, разумно купить алюминиевые версии. Последние отличны предельно высокой теплопроводностью, имеют низкий объем, что позволяет на практике задействовать минимальное количество теплоносителя от газового котла. Зависимость здесь прямая – чем меньше окажется общий объем контура системы отопления, тем меньше газовому котлу придется сжигать дорогостоящее газовое топливо. Стоит купить алюминиевые радиаторы, грамотно установить к пластиковым трубам отопления (о видах труб, их преимуществах и недостатках читайте в вышеуказанной статье) через американку или адаптер, как можно смело считать, что они окупятся уже в первый отопительный сезон.

К очевидным плюсам алюминиевых радиаторов нужно записать предельно высокий ресурс эксплуатации, поскольку с внутренней стороны они непременно покрываются особо прочной антикоррозийной поверхностью прямо при изготовлении. Это важно, если в отопительном контуре имеются медные отводы или полуотводы, вызывающие ускоренную электрохимическую коррозию алюминия. Но если купить современную версию алюминиевого радиатора с вышеуказанным защитным покрытием, то можно смело считать, что они прослужат не считанные годы, а десятки лет.

Плюсы:

• радиаторы выглядят более эстетично в современном дизайне
• экономия теплоносителя (в одной секции до 0.5 л)
• низкая инерция материала (быстрый нагрев/охлаждение)
• небольшой вес
• относительно невысокая стоимость

Стальной радиатор

Стальной радиаторы появились более десяти лет назад. Основная идея — объединить между собой конвектор и радиатор. В отличие от чугунных, стальные радиаторы используют намного меньше теплоносителя, но благодаря своей конструкции, ничуть не уступает по эффективности. Это основное преимущество стальных радиаторов.

Работая по принципу конвектора, стальные радиаторы позволяют достичь КПД до 90%. Также, стоит отметить классический стиль, который в своем большинстве не сильно выделяется на фоне современных дизайн интерьеров.

К сожалению, данный тип радиаторов не обделен недостатками. Стальные радиаторы нельзя оставлять без теплоносителя, так внутри достаточно быстро может образоваться коррозия. Также не желательная эксплуатация стальных радиаторов в случае использования централизованных систем отопления, введу несовместимости данного типа радиаторов с высоким давлением.

Биметаллические радиаторы 

Несмотря на свою новизну, биметаллические радиаторы заняли одну из лидирующих позиций. Благодаря исследованиям было выяснено, что для транспортировки теплопроводника намного эффективнее использовать стальные трубы. В то же время, для отдачи тепла намного эффективнее использовать алюминиевые панели. 

Благодаря комбинации лучших качеств каждого из материалов, получилось сделать более эффективные биметаллические радиаторы. 

Кроме того, алюминиевые панели выглядят более современно. Вес конечного радиатора ниже тех же чугунных, что является одним из дополнительных преимуществ такой конструкции.

На изображении показан принцип строения биметаллических радиаторов. 

Конечно же, все достаточно индивидуально. И алюминиевые и чугунные батареи по своему хороши и плохи одновременно. Для кого-то главное — дешевизна и эффективность, для других намного важнее эстетика. Но любую, даже самую некрасивую батарею можно преобразить/спрятать с помощью декоративных панелей. О том, как сделать декоративную панель, которая кроме всего прочего будет направлять тепло туда, куда нужно, читайте в нашем блоге. Для частных домов разумным компромиссом могут стать стальные радиаторы. Но все же, решать только вам.  

Выбираем радиатор — чугунный или биметаллический?

Чугунные радиаторы

Радиаторы из чугуна, представляют собой секционные радиаторы с широкими водяными каналами, имеют разнообразный дизайн и форму. Количество секций определяется исходя из теплопотерь конкретного помещения, между секциями, для герметичности, устанавливают термостойкие прокладки из резины или паронита. В данный момент производители выпускают секции с различными габаритами по высоте, ширине и глубине.

Чугунный радиатор — надежный долговечный отопительный прибор, имеющий всего пару недостатков: немалый вес и тепловую инертность.

На рынке присутствуют дизайнерские радиаторы, художественно отлитые из чугуна. Данные приборы не только обогреют помещения, но и станут предметом декора. Правда и стоимость таких радиаторов несравнима с аналогами.

Биметаллические радиаторы

Верхняя поверхность у биметаллических радиаторов литая алюминиевая, а внутри радиатора — стальной полый каркас. Алюминий служит для эстетического восприятия и для большей тепловой мощности радиатора. Стальной сердечник на всем протяжении движения теплоносителя есть только у настоящих биметаллических радиаторов. Однако есть еще псевдо биметаллические радиаторы – их отличие в том, что сталью усилены лишь вертикальные каналы радиатора, а в горизонтальных коллекторах стали нет, они полностью алюминиевые. Такой прибор стоит на процентов 30 дешевле, чем настоящий биметаллический радиатор. При этом он менее надежен и прочен, а использовать его в центральной системе отопления опасно.

Как и чугунные радиаторы, их биметаллические аналоги секционные, что позволяет их собирать и разбирать, набирая нужное количество секций, варьируя тепловую мощность радиатора. Дизайн всех радиаторов из биметалла разработан итальянскими дизайнерами и не нарушит эстетику любого помещения.

Сравнение теплоотдачи чугунных и биметаллических радиаторов.

Чугунные радиаторы значительно уступают в тепловой мощности своим биметаллическим аналогам. Радиаторы из чугуна имеют большую тепловую инертность: очень долго набирают нужную температуру, но и очень долго остывают. Рекомендуется устанавливать в местах, где бывают перебои с подачей горячего теплоносителя (например, где пропадает электрический свет и газовый котел выключается), при этом радиаторы будут поддерживать температуру еще несколько часов. А вот если вам требуется быстро прогреть помещения в доме, то это точно не чугунный радиатор. Использование вместе с чугунными радиаторами термостатической арматуры практически бесполезно, так как изменения температуры происходят часами.

Что касается тепловой мощности одной секции, то она в зависимости от модели варьируется от 90 до 160 ватт ври номинальном потоке.

Биметаллические радиаторы нагреваются мгновенно, но и остывают так же же быстро. Хороши при использовании термостатической регулировочной арматуры — моментально будут стараться подстроиться под изменения тепловых условий. Тепловая мощность одной секции биметаллического радиатора составляет от 150 до 215 ватт при номинальном потоке, а значит и ставить секций нужно меньше, чем чугунных. Скорость нагрева помещения биметаллическими радиаторам гораздо больше, чем у чугунных отопительных приборов.

Давление в системе, гидроудары.

В центральной системе отопления многоквартирных домов давление имеет тенденцию к изменениям. Иногда происходят скачки давления — гидроудары. Это происходит из-за несоблюдения правил обслуживания тепловых установок и старых, немодернизированных систем. Во время гидроудара может выйти из строя стальной панельный, трубчатый или алюминиевый радиатор. Поэтому в жилые квартиры с центральной системой отопления надо выбирать радиаторы с хорошим запасом по давлению.

Чугунные радиаторы могут противостоять 9-12 атмосферам давления. Этого может не хватить для сдерживания сильного гидроудара. Чугун — хрупкий металл и может лопнуть как алюминиевая батарея. Поэтому, в доме, где могут происходить гидроудары, лучше выбрать биметалл, который выдерживает до 50 атмосфер, если не брать в расчет псевдо биметаллические радиаторы.

Теплоноситель в ЦСО

Еще один минус центральной системы отопления- — плохое качество теплоносителя: грязный, с примесями (в том числе абразивными), с неизвестной химической нейтральностью, с большим количеством кислорода. Алюминиевый радиатор может выйти из строя банально получив внутренние повреждения проходящим по каналам абразивным теплоносителем. Стальной панельный быстрой выйдет из строя из-за наличия в центральной системе большого количества кислорода, что приведет к неминуемой сквозной коррозии.

Чугунный радиатор выдержит любой состав горячей воды теплоносителя. Не повредят ему высокий уровень щелочей или кислот или большой уровень кислорода. Чугун имеет большую стойкость к химической и электрической коррозии.

Биметаллические радиаторы так же существенно не реагируют на химически активный теплоноситель. Однако если летом произойдет слив теплоносителя из системы, то в радиаторах появляется воздух и стальной каркас может подвергнуться коррозии и это небольшой минус в сравнении с чугунными радиаторами. Но тут нужно понимать, что сердечник толщиной от 2,5 мм и сквозная коррозия грозит только через десятилетия и это не приведет к моментальному выходу из строя, так снаружи имеется алюминиевая оболочка.

Долговечность

Чугунные радиаторы отопления при периодической промывке служат более 50 лет. Биметаллический радиатор уступить чугунному по этому показателю: по данным производителей — 20-25 лет.

Особенности монтажа.

Учитывая вес радиаторов, транспортировка и монтаж чугунных батарей гораздо более трудоемок, чем биметаллических. Плюс потребуется установка усиленных настенных кронштейнов и обязательной нужно учесть материал стены. Некоторые особенно громоздкие чугунные батареи ставят на ножки, ибо повесить их на стену весьма проблематично. Биметаллический радиатор тяжелее, чем легкий алюминиевый, но гораздо легче чугунного. Навесить его сможет один монтажник, крепления нужны стандартные.

Цена.

Радиаторы из чугуна дороже, даже если не брать дизайнерские радиаторы. Плюс количество секций чугунного радиатора нужно устанавливать больше, чем биметаллического радиатора.

Выводы.

Взвесив все за и против, посоветуем для многоквартирного дома без частых сливов теплоносителя советуем выбрать биметаллические радиаторы, особенно, если в системе происходят гидроудары.

Если же квартира находится в старом доме с малым количеством этажей (до 5, что обеспечивает не самое большое давление в системе), там часто происходят сливы воды, то выбрать посоветуем чугунный радиатор.

Чугунные и биметаллические радиаторы в большинстве случаев взаимозаменяемы. Что не скажешь про стальные и алюминиевые радиаторы, устанавливать которые советуем исключительно в автономные закрытые системы отопления.

Что лучше – чугунные батареи или биметаллические?*

Для тех, кто затеял ремонт и модернизацию системы отопления, ребром стоит
вопрос: сохранить традиционные чугунные батареи или отдать предпочтение новым
биметаллическим? Рассмотрим этот вопрос по трем направлениям: теплоотдача,
эксплуатационная надежность, возможность экономии на отоплении.

Теплоотдача

Уникальной особенностью чугуна является тепловой спектр, который ученые и
сегодня признают уникальным и наиболее благоприятным для человека, то есть
чугунные батареи абсолютно безвредны в плане излучений. Что же касается
скорости теплоотдачи, то здесь чугун уступает биметаллу при нагреве помещения,
но дольше держит тепло при остывании (в случае отказа основного источника тепла
(котла) дом быстро не охладится).

Чугунные батареи идеально подойдут для домов с маленькими детьми, но
следует помнить, что тепловая инерция чугуна не позволяет быстро менять
температуру, то есть котел должен постоянно работать, потому что если дом
полностью остынет, прогреваться он потом будет достаточно долго.

Эксплуатационная надежность

Чугун – хрупкий материал, радиаторы плохо держат
удар, а поврежденная секция не подлежит ремонту. Теплоотдача чугунных батарей
снижается с каждым годом из-за образования накипи на внутренних стенках.
Характеристики биметаллических радиаторов более стабильны во времени, а сами
они не боятся ударных нагрузок и более надежны.

Экономия

Высокая тепловая инерция чугуна не позволяет быстро менять режимы работы
всей системы в целом, поэтому даже при условии установки в систему котла с
погодозависимой автоматикой величина экономии будет скромной. Низкая тепловая
инерция биметалла в паре с погодозависимой автоматикой котла дает значительную
экономию, что доказано как теоретически, так и экспериментально.
Биметаллические батареи заказать можно тут. Здесь же можно ознакомиться с ассортиментом, брендами, ценами и
предварительно определиться с выбором, позвонив консультантам колл-центра.

Выводы:

• традиционные чугунные батареи по описанным выше
  критериям – проигрывают биметаллическим;
• их стартовая стоимость – выше, а долговечность
  ниже;
• радиаторы из чугуна, тем не менее, отличный
  вариант для домов с маленькими детьми и домов, в которых котел находится
  под постоянным контролем во избежание резких перепадов температур.

*Материал опубликован на правах рекламы

Отличия ретро радиаторов отопления от обычных

Критерии качества радиаторов 

При определении лучшего радиатора следует учитывать несколько критерий его выбора. В первую очередь стоит обратить внимание на условия эксплуатации батареи. Именно этот показатель поможет вам понять подходит ли данная продукция для определенного помещения или нет.

Вторым по важности показателем является срок эксплуатации радиатора.

И конечно же, стоит обратить внимание на эстетичность внешнего вида радиатора, так как его не эстетичность приводит к дополнительным затратам.

Материал изготовления радиаторов

От материала радиатора зависит его эксплуатационный срок и его цена. Разберем, какие радиаторы самые лучшие по материалу изготовления.

Для оснащения помещений отоплением применяются различные виды радиаторов:

• Чугунные радиаторы. Данные радиаторы отопления отличаются достаточно большим рабочим сроком, высокой устойчивостью к коррозии и невысокой ценой. Несмотря на некоторые минусы – большую массу и неэстетичный вид, чугунные батареи являются до сих пор непросто востребованными, но и достаточно популярными. Большую популярность в последние годы приобрели современные чугунные радиаторы в стиле ретро и лофт.
• Медные радиаторы. Такие радиаторы отличаются самой высокой скорость прогрева и низкой инерционностью. Кроме того, они не подвержены воздействию различных агрессивных сред. Но у такого радиатора есть весомый недостаток – завышенная цена.
• Биметаллические радиаторы. Батареи такого типа становятся все более востребованными на современном рынке. Они сочетают в себе малый вес, стильный дизайн, высокий коэффициент теплопроводимости и неприхотливость к качеству воды и температурному режиму. Использование, для изготовления, двух металлов, обуславливает высокую стоимость таких радиаторов.
• Алюминиевые радиаторы. Являются самыми дешевыми батареями систем отопления, а потому и самыми популярными. Алюминиевые радиаторы занимают второе место (после медных), по скорости прогревания помещений. Большим плюсом является его составная конструкция. Для помещений различного объема можно составить радиатор как из одной секции, так и из нескольких десятков. Большим минусом таких батарей стала их подверженность коррозии, что очень сильно сокращает его срок службы.
• Панельные радиаторы. Такие радиаторы являются новыми для пользователей нашей страны. Изготавливаются из высокопрочного типа стали. В основном применяются в домах с автономным отоплением. Обладают повышенным коэффициентом тепловой отдачи, устойчивостью к коррозийным процессам, эстетичным видом и демократичной ценой. Но, так же как и другие имеет недостаток – тяжело переносит резкие перепады внутреннего давления.

Преимущества ретро радиаторов в сравнении с другими

Подведём краткий итог чем лучше чугунные ретро радиаторы по сравнению с другими батареями отопления? Срок эксплуатации благодаря свойствам чугуна может достигать 40 лет.

• Срок эксплуатации благодаря свойствам чугуна может достигать 40 лет.
• Возможности декорирования и покраски куда более широкие, а так же сроки изготовления разительно отличаются в лучшую сторону.
• Ретро радиаторы это не только способ обогреть дом – это ещё и значимый элемент дизайна.

Какие радиаторы отопления лучше остальных решает каждый индивидуально, в соответствии с объемом помещения и будущих условий эксплуатации.

Какие радиаторы отопления лучше: биметалл, алюминиевые или чугунные? – Блог Stroyremontiruy

Радиаторы должны нормально согревать помещение, быть надёжными (потоп нам не нужен) и красивыми. Если этим требованиям батареи отопления не отвечают, то их можно смело выкинуть или снять и подарить тёще.

Давайте узнаем, по каким характеристикам выбирают радиаторы, что стоит покупать для дома, а что нет. Это поможет не мёрзнуть при разумных тратах. Продавцу всегда доверять нельзя, вы же не знаете, какие радиаторы он ставил себе? 

Общие требования

Итак, радиатор должен:

1. — Хорошо передавать тепло в дом,
2. — Не создавать проблем в работе и обслуживании,
3. — Красиво смотреться в интерьере.  

По первому пункту главное – это теплоотдача. Небольшой экскурс в технологию отопления. В батарею подаётся горячая вода, внутри радиатора она проходит по несущим каналам и идёт на сток. Материал корпуса радиатора от теплоносителя разогревается и передаёт тепло в дом. Кошка не мёрзнет, в шубе на ужин можно не ходить.

У всех материалов разная теплоотдача, то есть они по-разному принимают и передают тепло. Один материал быстро нагревается, но и быстро охлаждается, другой наоборот. Запомните: хорошая теплоотдача говорит о том, что вы будете платить за реально использованную тепловую энергию, плохая – это те же платежи, но холодный дом.

Пример. От солнечного тепла дом нагревается, нагрев проходит долго, но при похолодании в помещениях тепло довольно долго. Если же протянуть под солнечные лучи руку, то она получит тепло сразу, но стоит солнцу скрыться и пальца начнут мёрзнуть. Вспомните, когда вам отключают отопление – в доме не сразу становится холодно, также и при включении тепло жильё нагревается медленно.

Итого – высокая теплоотдача – быстрый нагрев и охлаждение, низкая – наоборот.

Теперь из теории в практику.

Из названия понятно, что такие батареи делают при комбинировании нескольких металлов: меди и алюминия или стали и алюминия. Внешний материал всегда алюминий, внутри находится контур для теплоносителя из металла с более низкой теплоотдачей. Решение неплохое, так как такие радиаторы красиво смотрятся в интерьере и хорошо прогревают помещение. Внутренний материал медленно прогревается, но хорошо передаёт тепло внешнему контуру – алюминию.

Биметаллическая батарея хорошо держит давление, поэтому соседи могут спать тихим сном, на них ничто не польётся. Минус – высокая стоимость, плюс – красивый вид и выполнение своего предназначения.

Алюминиевые радиаторы

Такие радиаторы мастера называют декоративными – в офисе их ставить можно, дома не рекомендуется и причины для этого банальны – они слабо держат давление и плохо прогревают помещение. Смотрятся такие батареи неплохо, но любителям тепло придётся спать с ними в обнимку, кроме этого, алюминий слабо держит давление, что может привести к потопу. Единственный вариант для получения тепла в дом при покупке алюминия – это приобретение батареи с литым корпусом максимальной ширины.

Единственные преимущества – это внешний вид и маленький вес, но практическая их польза невелика. Если вам дома хочется чувствовать себя комфортно, то лучше чистый алюминий не покупайте.

Классика – чугун

Про чугунные батареи впору складывать легенды и они того заслужили. Чугун медленно разогревается, но отлично делится теплом, поэтому батарея выполняет в доме свою главную функцию, обогрев, на отлично.

Такому радиатору не страшно никакое давление, а единственные его минусы – это неказистый внешний вид и большой вес. И с тем, и с другим можно справиться. Закройте батарею экраном, и она не создаст интерьерных проблем, а вес… ну не ходить же вам с ней на работу? Ещё одно преимущество инертность, это не совсем теплоотдача, но что-то близкое – способность удерживать тепло после прекращения подачи теплоносителя. О долговечности тоже помним, все грамотные и экономные.

Вывод прост, как утро 1 января – алюминий покупать для дома не стоит вовсе. Если денег хватает, то покупайте биметаллические радиаторы, ежели туго с финансами, но хочется тепла, то приобретайте классический чугун и экран к нему.

биметалл, алюминий или чугун?

Одним из важнейших элементов системы отопления являются радиаторы. На сегодняшний день существует несколько разновидностей подобного оборудования. Как не ошибиться и сделать правильный выбор? Давайте разберемся. Итак, чугунные, стальные, алюминиевые батареи, биметаллические — какие лучше?

Что нужно знать о

Прежде чем принимать решение о замене старых батарей на новые радиаторы, обязательно сходите в ЖЭК и узнайте, какое рабочее давление теплоносителя в системе отопления вашего дома.Дело в том, что каждый тип радиатора рассчитан на определенное максимально допустимое количество атмосфер.

В том случае, если батарейки просто меняются, рассчитать необходимое количество новых устройств не составит труда. Обычно они покупают столько, сколько они сделали. Однако в данном случае все зависит от мощности новых радиаторов. Если система отопления устанавливается в новом доме, расчет придется производить. В стандартных условиях (имея в помещении одно окно, одну дверь и одну наружную стену) необходимое количество батарей определяется исходя из того, что на 1 м ³ необходима 41 Вт тепловой мощности.Тепловая мощность каждого конкретного радиатора указывается производителем в техническом паспорте. Полученное количество необходимых киловатт следует просто разделить на эту цифру. Таким образом, вы можете узнать, сколько батарей вам нужно.

Радиаторы чугунные

Итак, начнем разбираться, какие батареи лучше — чугунные или биметаллические. Или, может быть, выбрать сталь или алюминий?

Чугунные батареи использовались для отопления квартир в многоэтажных домах давно и успели зарекомендовать себя как достаточно надежное и долговечное оборудование.Аккумулятор такого типа выдерживает давление до 9-12 атмосфер и наверняка без проблем прослужит более пятидесяти лет. То есть по сроку службы чугунные радиаторы не уступают даже современным дорогим биметаллическим.

К достоинствам аккумуляторов такого рода можно отнести также отсутствие необходимости в качестве теплоносителя и коррозионной стойкости. Недостатки у таких радиаторов, конечно же, тоже есть. Это, прежде всего, большой вес и не очень эстетичный вид.Кроме того, этот тип оборудования имеет довольно большую инерционность. То есть батарея очень долго греется и остывает, что в частном доме, например, может быть не очень удобно.

Далее рассмотрим, какими преимуществами отличаются другие виды радиаторов. Надеемся, это поможет вам определиться, какие батареи лучше: чугунные или биметаллические, стальные или алюминиевые.

Алюминиевые батареи

Алюминиевые радиаторы также часто используются в системах отопления. К их неоспоримым достоинствам можно отнести эстетичный внешний вид и легкий вес.Преимуществом таких устройств также является высокий уровень теплоотдачи. Алюминиевые батареи нагреваются — в отличие от тех же чугунных — очень быстро. Что касается давления, то они выдерживают от 6 до 16 атмосфер.

К недостаткам этой разновидности можно отнести прежде всего требовательность к качеству теплоносителя. Так как вода обычно содержит небольшой процент различных кислот, алюминиевые радиаторы служат не слишком долго. В частности, процесс разрушения этого металла идет быстро, если в конструкции системы отопления присутствуют медные детали.

Стальные модели

По коэффициенту теплопроводности сталь сравнима с чугуном. Радиаторы из этого металла греются быстрее только за счет тонких стенок. Эта разновидность выдерживает давление до 8-15 атмосфер. К недостаткам таких моделей также можно отнести значительный вес. Дело в том, что для достижения оптимальной мощности стальные радиаторы делают прозвонкой. Еще одним недостатком этих аккумуляторов является подверженность коррозии.Даже модели со специальным внутренним защитным покрытием начинают ржаветь через три-пять лет.

Радиаторы биметаллические

Итак, какие плюсы и минусы стальных, алюминиевых и чугунных моделей мы выяснили. Далее разберемся, в чем достоинства биметаллических батарей. Какие сорта лучше покупать и что нужно учитывать при выборе?

Этот тип аккумуляторов в настоящее время считается самым популярным. Биметаллическими эти радиаторы названы потому, что их секции изготовлены сразу из двух разновидностей материала — алюминия и стали (или меди).Это очень надежные приборы, способные выдержать до 30-50 атмосфер давления, а значит, нет риска прорывов и затопления соседей. К преимуществам таких моделей можно отнести малый вес и низкую теплопроводность. Кроме того, биметаллические батареи имеют очень долгий срок службы. Гарантированно он составляет 25 лет, но теоретически такое устройство может прослужить до 50.

Внутри радиаторов данного типа проходит сталь, устойчивая к агрессивным веществам, растворенным в водопроводных трубах.Снаружи алюминиевые, легко проводящие тепловые пластины.

Единственным недостатком биметаллических моделей является их достаточно высокая стоимость, особенно по сравнению с чугунными и стальными. Выпускаются и бюджетные версии таких аккумуляторов, но обычно они не отличаются особой надежностью. Поэтому в том случае, если вы решили приобрести именно этот тип радиатора, в первую очередь нужно обратить внимание на производителя. Покупка моделей производства сомнительных фирм вряд ли будет оправданной.

Разновидности биметаллических батарей

Какие бывают виды такого оборудования, как биметаллические батареи. Что лучше для квартиры или загородного дома?

Как уже было сказано, трубы внутри таких радиаторов могут быть стальными или медными. Первый вариант дешевле. Биметаллические батареи с медью обычно используют в том случае, если в конструкции системы отопления присутствуют медные элементы.

Кроме того, аналогичные радиаторы классифицируются еще на два вида:

• Монолитные.Длина камеры в этих моделях фиксированная. Эта разновидность выдерживает давление до ста атмосфер.
• Секционный. Это более популярный тип радиатора. Понравятся такие модели владельцам квартир и домов, ведь часть секций всегда можно убрать. Это позволяет регулировать мощность излучателя.

Что выбрать?

Итак, давайте посмотрим, как сделать правильный выбор. В том случае, если вы живете в городской квартире, лучшим вариантом наверняка станет биметаллическая модель.Можно, конечно, купить и достаточно надежные, и гораздо более дешевые чугунные. Однако, если у вас установлены счетчики, вам все равно следует выбрать первый вариант. Дело в том, что для обогрева таких батарей вода должна проходить через них намного меньше раз. И, следовательно, в этом случае можно сэкономить на отоплении. Еще один плюс биметаллических радиаторов – отсутствие необходимости периодической подкраски.

Ну а дача или загородный дом? Какие батареи лучше: биметаллические или алюминиевые в данном случае? На самом деле последний вариант отличается меньшим весом и эстетичным внешним видом.Однако качество охлаждающей жидкости в нашей стране оставляет желать лучшего. Даже в загородных постройках воду в систему отопления часто закачивают из открытого резервуара. Поэтому большинство владельцев частных домов предпочитают использовать биметаллические модели. Часто используется и традиционный чугунный вариант. На даче, где отопление нужно только поздней осенью или ранней весной, лучше ставить гораздо более дешевые стальные радиаторы. Алюминиевые батареи можно использовать в квартире или доме только в том случае, если вы уверены в качестве воды.

Радиаторы зарубежных производителей

Далее разберемся, биметаллические батареи какой фирмы следует приобрести и на что следует обратить внимание. Сегодня на российском рынке представлено огромное количество радиаторов разных марок. Однако даже продукция известных зарубежных фирм с хорошей репутацией может не подойти для вашей квартиры или дома. Дело в том, что такие инструменты зачастую совершенно не переносят российские условия.

Из-за высокого содержания агрессивных веществ в воде, циркулирующей по трубам, такие радиаторы очень быстро выходят из строя.Если вы задаетесь вопросом о биметаллических батареях – что лучше, перед покупкой обязательно стоит узнать, адаптирована ли модель к российским условиям. Такую продукцию на нашем рынке в настоящее время представляют очень многие иностранные компании.

Sira Devices

Биметаллические батареи (какие лучше устанавливать в домашних условиях, вы теперь знаете) этого производителя на данный момент являются самыми популярными на отечественном рынке. Модели этого бренда отличаются надежностью, долговечностью и эстетичным внешним видом.Хороших отзывов они заслуживают и за то, что способны выдерживать очень высокое давление теплоносителя – 40 атмосфер.

Биметаллические батареи отопления – что лучше? Если вас интересует этот вопрос, обязательно присмотритесь к продукции этой компании. Итальянские радиаторы линейки Sira RS разработаны специально для эксплуатации в российских условиях. То есть они не боятся нашего грязного теплоносителя и выдерживают то давление, которое необходимо.

Итак, вы все еще задаетесь вопросом: «Биметаллические батареи — какие лучше?».Sira – это бренд, внимание к которому необходимо привлечь. Высокую степень герметичности этих батарей обеспечивают тороидальные кольцевые прокладки, считающиеся гораздо более надежными, чем паранитовые, используемые в большинстве других марок радиаторов. Долговечность устройств Sira объясняется, в том числе, отсутствием карманов в головках секций. Благодаря этому здесь не собираются газы и шлам, в результате чего опасность коррозии сводится к минимуму.

Биметаллические аккумуляторы (какие лучше): отзывы

Безусловно, мнение об устройствах Sira у российского потребителя самое высокое.Неплохие отзывы заслужила продукция таких торговых марок, как Alurad, Global, Sahara и некоторых других. Отечественные производители хвалят приборы фирмы «Рифар».

Итак, теперь вы знаете, какие батареи лучше — биметаллические или алюминиевые, какие плюсы и минусы у чугунных и стальных вариантов. Конечно, вам решать, какой радиатор отопления выбрать для квартиры или дома. Ориентироваться при покупке следует на допустимое давление, качество охлаждающей жидкости, мощность и тип аккумулятора.

р>

Биметаллический никель-кобальтовый сульфид как эффективный электрокатализатор для Zn-воздушной батареи и разделения воды

17.

H. Zhang, X. Li, A. Hähnel, V. Naumann, C. Lin, S. Azimi, RB Wehrspohn, Сборка бифункциональной гетероструктуры из нанолистов NiFe LDH на нанопроволоках NiCoP для высокоэффективной и стабильной общей воды расщепление. Доп. Функц. Матер. 28 (14), 1706847 (2018). https://doi.org/10.1002/adfm.201706847

Артикул

Google Scholar

22.

J. Jiang, M. Gao, W. Sheng, Y. Yan, Полая шеврелевая фаза NiMo ₃ S ₄ для выделения водорода в щелочных электролитах.Ангью. хим. Междунар. Эд. 55 (49), 15240–15245 (2016). https://doi.org/10.1002/anie.201607651

Артикул

Google Scholar

25.

Ф. Ван, Ю. Ли, Т.А. Шифа, К. Лю, Ф. Ван, З. Ван, Дж. Хе, Обогащенные селеном нанолисты селенида никеля как надежный электрокатализатор для производства водорода.Ангью. хим. Междунар. Эд. 55 (24), 6919–6924 (2016). https://doi.org/10.1002/anie.201602802

Артикул

Google Scholar

30.

Ю. Цзя, Л. Чжан, Г. Гао, Х. Чен, Б. Ван и др., Гетероструктурное соединение эксфолиированного нанолиста гидроксида Ni-Fe и дефектного графена в качестве бифункционального электрокатализатора для общего расщепления воды. Доп. Матер. 29 (17), 1700017 (2017). https://doi.org/10.1002/adma.201700017

Артикул

Google Scholar

43.

К. Лян, К. Маркус, С. Чжан, Л. Чжоу, Ю. Ли, С.Т. Де Оливейра, Н. Орловская, Ю.Х. Sohn, Y. Yang, NiS ₂ /FeS дырчатая пленка в качестве отдельно стоящего электрода для высокоэффективной литиевой батареи.Доп. Энергия Матер. 7 (22), 1701309 (2017). https://doi.org/10.1002/aenm.201701309

Артикул

Google Scholar

48.

X. Xu, H. Liang, F. Ming, Z. Qi, Y. Xie, Z. Wang, аналоги берлинской лазури, полученные из пенрозита (Ni,Co)Se ₂ наноклетки, закрепленные на трехмерном графеновом аэрогеле для эффективного разделения воды. Катал. 7 (9), 6394–6399 (2017). https://doi.org/10.1021/acscatal.7b02079

Артикул

Google Scholar

Радиаторы отопления (батареи) – как выбрать и какие лучше, ориентиры и расчеты

Радиаторы (батареи) для отопления

Без отопления немыслим уют и комфорт в доме, а батареи – важнейший элемент системы отопления. Статья расскажет, чем похожи и чем отличаются современные радиаторы: как выбрать лучшие радиаторы для дома или квартиры — эффективные, энергосберегающие, не нарушающие гармонию интерьера.

Содержание

• Конвекция или излучение?
• Выбор радиаторов для водяного отопления
• Новые варианты из «старого» чугуна
• Алюминиевые секционные радиаторы
• Биметаллические батареи с секциями
• Стальные панельные радиаторы

Конвекция или излучение?

Однозначно сказать, какие батареи отопления лучше, нельзя: при выборе прибора необходимо учитывать индивидуальные особенности помещения и его системы обогрева.

Все системы отопления с использованием радиаторов работают по одному простому принципу: теплоноситель – вода или газ – нагревается в котельной и подается к обогревателю в помещении. Обогреватель представляет собой батарею, нагревающую воздух в помещении.

Существует два способа передачи тепла от радиаторов – конвекция и излучение.

Конвекция, естественная или принудительная, представляет собой ускоренный нагрев воздуха, контактирующего с развитой поверхностью нагрева батареи отопления. По принципу принудительной конвекции работают конвекторы – отопительные приборы, в конструкцию которых встроен вентилятор.

Конвекторы могут очень быстро обогреть помещение, но и у них есть существенный недостаток. Активная конвекция воздуха, как пылесос, слишком сушит воздух и уносит большое количество пыли, что не способствует здоровому микроклимату в доме. Обычно этот тип отопительных приборов используют в проблемных помещениях с большими площадями остекления, где обычные отопительные приборы нарушают гармонию интерьера.

Конвекторы рекомендуется устанавливать в проблемных помещениях с большими площадями остекления

Излучение – естественный нагрев воздуха в помещении поверхностью отопительного прибора – радиатора, обладающего повышенной теплоемкостью и температурой.На излучение приходится около 60 % тепловой энергии, отдаваемой радиаторами пространству помещения, и только остальные 40 % приходится на естественную конвекцию вследствие движения воздушных масс в помещении.

Таким образом, радиаторное отопление за счет минимальной конвекции горячего воздуха является экологически чистым и наиболее близким к отоплению печным или теплым полом. Также есть комбинированные обогреватели – панельные радиаторы, конвекторы.

Выбор радиаторов для водяного отопления

Современный рынок предлагает несколько видов радиаторов (батарей) для водяного отопления, отличающихся размерами, массой, теплоотдачей, теплопотерями, материалом изготовления и конструкцией.Поэтому перед выбором батарей отопления необходимо уточнить приоритетные параметры для вашего дома или квартиры и в зависимости от них выбирать тот или иной тип радиатора.

Важно помнить:

1. Мощность батарей отопления выбирается исходя из следующего норматива обогрева помещения: 100 Вт на квадратный метр площади помещения с одним глазком и одной наружной стеной.
2. Для помещения с двумя окнами и двумя наружными стенами к номинальной мощности следует добавить дополнительно 30%.
3. Если радиаторы будут закрыты декоративными панелями, к полученному значению мощности придется добавить еще 15%.
4. Также к расчетному значению тепловой мощности батарей добавляют 5-10%, если они расположены в нишах или окна помещения выходят на север или северо-восток. При совпадении нескольких факторов добавляются дополнительные проценты.

В системах отопления современных коттеджей и квартир применяются следующие типы радиаторов, различающиеся по материалу изготовления:

• чугунные; сталь
• ;
• алюминий;
• биметалл.

Конструктивные особенности радиаторов водяного отопления представлены двумя группами:

• секционные – это чугунные, алюминиевые и биметаллические радиаторы; панель
• – представлены стальными радиаторами.

Новые варианты из «старого» чугуна

Надежность и практичность чугунных радиаторов хорошо известна отечественному потребителю. Они отличаются высокой коррозионной стойкостью и стойкостью к истиранию, служат не менее 50 лет. В системах отопления с низкокачественным теплоносителем вопрос «какие радиаторы выбрать» практически не ставится: ответ будет в пользу чугунных радиаторов

Чугунные радиаторы также идеально подходят для твердотопливных систем отопления.Благодаря толстым стенкам, большой вместимости секций (до 1,4 л) и физическим свойствам чугуна они способны аккумулировать большое количество тепла и обеспечивать обогрев помещений в промежутках между нагрузками твердотопливного котла.

Радиаторы чугунные инерционные, долговечные и надежные выбирают для коттеджей и квартир с системами отопления, не оборудованными автоматикой

Радиаторы чугунные в основном рассчитаны на давление в системе 6-9 атм и максимальную температуру теплоносителя до 130 °С, но благодаря высокой теплоемкости отличаются высокой тепловой инерцией: долго нагревают помещение и медленно остывают.

Из-за этой особенности они не подходят для систем отопления, оснащенных автоматикой, так как не смогут обеспечить, например, режим отопления с дневной температурой 22°С и ночной 17°С.

Алюминиевые секционные радиаторы

Эффектные по дизайну, легкие, менее теплоемкие, но быстро излучающие тепло в пространство, секционные радиаторы из алюминия являются достойной альтернативой инерционным чугунным аналогам. Ребра вокруг основных каналов усиливают естественную конвекцию воздуха в них, благодаря чему на алюминиевых батареях не скапливается пыль, а малая инерционность данного типа нагревательного устройства позволяет быстро изменять температуру в соответствии с командами управления. термостаты.

Малоинерционные алюминиевые радиаторы позволяют быстро изменять температуру в соответствии с командами управления термостатами

Однако, наряду с неоспоримыми достоинствами, есть и недостаток, который необходимо учитывать перед тем, как правильно выбрать алюминиевые радиаторы отопления. Дело в том, что алюминий чувствителен к качеству воды в системе отопления: оптимальная кислотность должна соответствовать значению рН 7-8. На скорость электрохимической коррозии алюминия влияют блуждающие токи в здании, входящие в состав добавок для снижения жесткости воды, кислорода, а также установка алюминиевых отопительных приборов в одной системе с медными и стальными деталями и трубами.

Для предотвращения деструктивных электрохимических реакций рекомендуется применение специальных диэлектрических переходников в местах соединения алюминиевых профилей с медными или стальными трубами и деталями. Перепады давления, характерные для российских городских систем отопления, также нежелательны для алюминиевых радиаторов, но ряд производителей компенсируют этот недостаток, начав выпуск алюминиевых радиаторов с рабочим давлением до 16 атм.

Биметаллические батареи с секциями

Тем, кто еще не определился, какие батареи отопления выбрать, так как чугун или алюминий не подходили по тому или иному параметру, стоит присмотреться к элегантным и мощным биметаллическим секционным радиаторам.Нагревательные устройства этого типа конструктивно представляют собой систему вертикальных стальных труб, которые снаружи заливаются глушителем из специального алюминиевого сплава. В результате биметаллические батареи, благодаря физическим свойствам стали, прекрасно выдерживают высокое давление теплоносителя и противостоят коррозии, а алюминиевая поверхность отлично передает тепло и быстро нагревает помещение.

Биметаллические батареи отлично выдерживают теплоноситель высокого давления, не поддаются коррозии и быстро нагревают помещение

Биметаллические радиаторы рассчитаны на внутреннее рабочее давление теплоносителя 25 атм и лишены недостатков чугунных и алюминиевых аналогов, но имеют небольшой недостаток – уменьшенный объем циркулирующей воды из-за малого сечения (всего 12-15 мм) внутренних стальных труб.Для быстрого обогрева помещения и последующего поддержания оптимальной температуры теплоноситель должен постоянно циркулировать в системе с большой скоростью, а это может сопровождаться характерным свистом в головках термостатов.

Стальные панельные радиаторы

По теплопроводности панельные стальные радиаторы можно устанавливать между чугунными и алюминиевыми аналогами. Панельные батареи изготовлены из коррозионностойких штампованных стальных листов и конструктивно представляют собой ряд параллельных вертикальных каналов, соединенных горизонтальным коллектором. Они бывают одно-, двух- и трехрядными, с оребрением или без него, а наружные панели покрыты термостойкой многослойной эмалью.

Стальные радиаторы рассчитаны на рабочее давление 6-10 атм и максимальную температуру теплоносителя до 120°С. По сравнению с чугунной батареей стальной панельный радиатор характеризуется высокими энергосберегающими свойствами: он способен отдать столько же тепла, сколько чугунная батарея, используя в 7 раз меньше воды с температурой на 20°С ниже. Кроме того, благодаря развитой поверхности теплообмена он быстрее прогревает помещение, так как не тратит тепло на обогрев самого себя.

Стальные панельные радиаторы снижают энергозатраты на отопление

Стальной панельный радиатор отличается большим внутренним объемом по сравнению с биметаллическим аналогом и, не требуя постоянной циркуляции теплоносителя, превосходит его. Недостатком стальных панельных радиаторов является их короткий срок службы – не более 15 лет.

Решая, как правильно выбрать батарею отопления, необходимо учитывать место установки, площадь помещения, качество теплоносителя в системе отопления. Так, например, для коттеджа, оборудованного автоматической системой отопления, подойдут стальные панельные радиаторы, а если автоматика не предусмотрена, то хороши чугунные. Для квартир в новых многоэтажках с высоким напором и низким качеством воды биметаллические батареи идеально подходят в системах отопления. Если качество воды в системе отопления квартиры удовлетворительное, можно остановить выбор на алюминиевых батареях, убедившись, что давление в системе не превышает номинальных значений прибора.Если старая система отопления квартиры нуждается в реконструкции, замена чугунных батарей на панельные стальные поможет снизить затраты на электроэнергию.

Какие радиаторы лучше: алюминиевые или биметаллические

Сегодня многие решают отказаться от традиционных чугунных радиаторов в пользу современных радиаторов отопления. Они более эстетичны и хорошо вписываются в современные интерьеры. Отсюда возникает вопрос выбора между биметаллическими отопительными приборами и алюминиевыми радиаторами.

Хорошо вписались в интерьер алюминиевые радиаторы

Внешне алюминиевые и биметаллические радиаторы практически не отличаются.Основные отличия заключаются в их конструкции и характеристиках. При выборе отопительных приборов необходимо учитывать условия, в которых они будут использоваться.

Алюминиевые радиаторы

Алюминиевые радиаторы

привлекают своим внешним видом и сравнительно невысокой ценой. Благодаря материалу, из которого они изготовлены, такие батареи имеют малый вес и высокую теплоотдачу. Благодаря конструкции секций передача тепла осуществляется не только путем излучения, но и путем конвекции.

Однако алюминиевые радиаторы имеют серьезные недостатки. Основная проблема заключается в недостаточной прочности материала. Рабочее давление в системе отопления обычно колеблется в пределах 10-15 атмосфер, но при опрессовке может достигать 30 и более.

Большинство алюминиевых радиаторов выдерживают не более 15 атмосфер. Если вы планируете приобрести отопительные приборы такого типа, обязательно узнайте максимальное рабочее и напорное давление в вашем доме. Для этого можно обратиться в управляющую компанию.

Еще одна проблема с алюминиевыми батареями — их склонность к коррозии. Вода, используемая в качестве теплоносителя, обычно плохого качества, сильно загрязнена и содержит щелочи. От воздействия такой воды алюминий постепенно разрушается, что может привести к порыву ветра.

Еще одной опасностью является электрохимическая коррозия, возникающая при непосредственном контакте соединений алюминия, меди и электролита, которым является техническая вода в трубопроводах. Деструктивные процессы протекают очень быстро и приводят к катастрофическим последствиям.Этого можно избежать, используя латунные или бронзовые фитинги.

Оптимальное применение алюминиевых радиаторов – для отопления частных домов. Давление в системе загородного дома обычно не превышает двух атмосфер. Кроме того, есть возможность следить за качеством охлаждающей жидкости.

Биметаллические радиаторы

Внешняя часть корпуса таких устройств выполнена из алюминия. Внутренние каналы, по которым протекает теплоноситель, представляют собой стальные трубы. Благодаря этому радиаторы способны выдерживать очень высокое давление – до 60 атмосфер.Это позволяет использовать их в многоэтажных домах, не опасаясь разрушения секций. Им не страшна и коррозия.

Биметаллические радиаторы компактны, легки и быстро нагреваются. Они хорошо подходят для эксплуатации в российских условиях. К сожалению, эти нагревательные приборы намного дороже алюминиевых. Однако это компенсируется высокой надежностью и длительным сроком службы.

У биметаллических радиаторов

есть и более существенный недостаток. Сечение внутреннего канала таких аккумуляторов небольшое.Ничего страшного, если вы планируете установить не более десяти секций. Если их больше, крайние сегменты останутся холодными. Для устранения такой проблемы используется диагональная схема подключения.

ЮММП | Бесплатный полнотекстовый | Силы обработки при токарной обработке биметаллических изделий из алюминия, титана, чугуна и мягкой/нержавеющей стали

1.

Введение

Исследования в области механической обработки в основном связаны с обработкой изделий из мономатериалов и специальных сплавов.С другой стороны, нельзя игнорировать исследования по обработке объектов, изготовленных из нескольких материалов, в основном из-за растущей озабоченности по поводу устойчивости. Объяснение приведено ниже.

В целом устойчивость означает удовлетворение потребностей настоящего поколения без ущерба для способности удовлетворять потребности будущих поколений [1]. Говоря более конкретно, устойчивость означает обеспечение эффективности использования материалов, энергии и компонентов, желательно одновременно, для всех продуктов, населяющих искусственный мир [2].Здесь эффективность использования материалов связана с использованием материалов и учитывает вопросы, связанные с потреблением энергии и истощением ресурсов при производстве первичных материалов; он также рассматривает такие вопросы, как снижение стоимости и веса продукта [2,3,4,5]. Энергоэффективность учитывает потребление энергии во время производственной деятельности (например, механической обработки и сборки) продукта [2,5]. Эффективность компонентов учитывает степень выполнения заданных требований к функциональности, качеству и надежности компонентов, используемых в изделии [2].Взаимодействие этих показателей эффективности подробно представлено в [2], где сделан вывод о том, что эффективность материалов более эффективна, чем две другие эффективности, в повышении устойчивости продукта. Например, объект из нескольких материалов лучше, чем его монометаллический аналог (например, объект из алюминиево-титанового сплава лучше, чем его монометаллический аналог, состоящий только из титана, с точки зрения стоимости, веса и размера СО ₂ ) [ 2]. Повышение эффективности материалов может повлиять на эффективность использования энергии и компонентов, что нежелательно.Таким образом, оптимизация необходима для получения наилучшего, что может предложить объект из нескольких материалов. продукт с точки зрения эффективности материалов). В настоящее время для изготовления изделий из разнородных металлов используются как физические процессы соединения (например, сварка трением) [6,7,8,9], так и процессы аддитивного производства (например, селективное лазерное спекание) [10,11,12,13]. .Появление таких производственных процессов также ускорит использование продуктов из нескольких материалов, поскольку эти процессы помогают производить различные детали из разных типов разнородных металлов. Стоит отметить, что процессы аддитивного производства, которые добавляют материалы слой за слоем на основе твердотельной модели объекта, оказались подходящими для изготовления очень сложных и сильно настраиваемых объектов с использованием нескольких материалов [10,11,12,13]. Таким образом, процессы аддитивного производства (селективное лазерное спекание) позволяют легко изготовить объект из нескольких материалов, чего часто трудно достичь с помощью обычных производственных процессов (например,например, механическая обработка, литье, формовка и сварка). Приведенное выше объяснение относится к тому факту, что все больше и больше предметов, сделанных из нескольких материалов, будут обитать в нашем окружении в ближайшие годы. Однако объект из нескольких материалов, изготовленный либо с помощью аддитивного производства, либо с помощью других производственных процессов (например, сварки трением), должен быть обработан так, чтобы он достиг требуемой точности размеров и чистоты поверхности. Это требует знаний об обработке многоматериальных объектов. В литературе встречается относительно ограниченное количество исследований, посвященных механической обработке изделий из разнородных материалов.В частности, отмечены исследования, опубликованные в [14,15,16,17,18,19,20,21]. Эти исследования показывают, что механическая обработка объекта из нескольких материалов влечет за собой некоторые уникальные свойства. Например, монометаллическая заготовка может обрабатываться с любых сторон, тогда как при обработке заготовки из двух разных материалов необходимо оптимизировать направление обработки (например, обработка со стороны более мягкого материала на сторону более твердого материала или наоборот) [20]. ]. Процесс количественной оценки шероховатости поверхности объекта, изготовленного из двух разных металлов, требует некоторых нетрадиционных параметров (например,г., энтропия, распределение возможностей и др.) [19,21]. Основной проблемой такой уникальности является наличие зоны стыка или зоны термического влияния, где составы и свойства материалов (особенно твердость) демонстрируют большую изменчивость по сравнению с составляющими материалами. Авторы в [6,7,8,9,22] подробно описали этот вопрос. В зависимости от того, проходит ли режущий инструмент по зоне соединения со стороны более мягкого материала на сторону более твердого материала или наоборот, характеристики обработки могут различаться.В результате силы обработки (сила резания, сила подачи и т. д.) могут иметь разный характер, когда режущий инструмент проходит зону соединения либо со стороны более мягкого материала, либо со стороны более твердого материала, или наоборот. Поскольку силы обработки обеспечивают ценную информацию о явлениях обработки [23], стоит исследовать природу сил обработки, возникающих, когда режущий инструмент проходит область соединения с обеих сторон биметаллического образца. Исходя из этих соображений, в этой статье представлены характеристики сил обработки, которые возникают при токарной обработке трех наборов разнородных металлических образцов, изготовленных из алюминия-титана, алюминия-чугуна и нержавеющей стали-мягкой стали.Соответственно, оставшаяся часть этой статьи организована следующим образом. В разделе 2 описаны биметаллические образцы, экспериментальная установка и методика сбора данных. В разделе 3 представлены характеристики сил обработки, лежащих в основе соединения нержавеющая сталь–мягкая сталь, с точки зрения данных временного ряда и неопределенности. В разделе 4 представлены характеристики сил обработки, лежащих в основе алюминий-титан, с точки зрения данных временного ряда и неопределенности. В разделе 5 представлены характеристики сил обработки, лежащих в основе алюминий-чугун, с точки зрения данных временного ряда и неопределенности.В разделе 6 обсуждается значение результатов. В разделе 7 представлены заключительные замечания по данному исследованию.

2. Эксперименты по механической обработке и сбор данных

В этом разделе описываются биметаллические образцы, экспериментальная установка и метод сбора данных, используемые при токарной обработке биметаллических образцов.

Три различных комплекта биметаллических образцов были изготовлены с использованием сварки трением [6,7]. Описание условий сварки можно найти в [2]. В таблице 1 перечислены материалы, использованные для приготовления образцов.Прочность на растяжение, процентное удлинение и твердость каждого материала также перечислены в таблице 1.

Первый набор образцов, обозначенный как SU-SC, был изготовлен путем соединения двух различных материалов, а именно нержавеющей стали (JIS: SUS304) и мягкая сталь (JIS: S15CK). Химический состав (мас.%) нержавеющей стали был следующим: 0,052 C, 0,416 Si, 1,529 Mn, 0,0319 P, 0,0186 S, 8,057 Ni, 18,293 Cr, 0,185 Mo, 0,483 Cu и 70,9345 Fe. Химический состав (мас.%) мягкой стали был следующим: 0.15 C, 0,20 Si, 0,40 Mn, 0,19 P, 0,022 S, 0,03 Ni, 0,14 Cr, 0,02 Cu, 98,848 Fe. Прочность на растяжение (т. е. предел прочности), относительное удлинение и твердость нержавеющей стали составляли 663 МПа, 55% и 182 HV соответственно. Прочность на растяжение (т.е. предел прочности), относительное удлинение и твердость мягкой стали составляли 439 МПа, 38% и 132 HV соответственно. Второй набор образцов, обозначенный как Al-Ti, был приготовлен путем соединения двух разных материалов, а именно алюминия (JIS: A1070) и технически чистого (CP) титана.Химический состав (мас.%) алюминия (JIS: A1070) был следующим: 0,03 Si, 0,10 Fe, 0,01 Cu, 0,02 Mg, 0,01 V, 0,01 Ti, другие ≤ 0,03 другие и 99,82 Al. Химический состав (мас. %) КП-титана был следующим: 0,0011 Н, 0,089 О, 0,006 N, 0,038 Fe, 0,005 С, 99,8609 Ti. Прочность на растяжение (т.е. предел прочности), относительное удлинение и твердость алюминия (JIS: A1070) составляли 120 МПа, 27% и 41 HV соответственно. Предел прочности при растяжении (т. е. предел прочности), относительное удлинение и твердость КП-титана составили 401 МПа, 35 % и 146 HV соответственно.Другой набор образцов, обозначенный как Al-CI, был изготовлен путем соединения двух разных материалов, а именно алюминия (JIS: A5052) и ковкого чугуна. Химический состав (мас.%) алюминия (JIS: A5052) был следующим: 0,09 Si, 0,16 Fe, 0,02 Cu, 0,03 Mn, 2,6 Mg, 0,25 Cr, 0,01 Zn, ≤0,15 других и 96,69 Al. Химический состав (мас.%) ковкого чугуна был следующим: 3,76 C, 2,91 Si, 0,49 P, 0,011 S, 0,029 Mg и 92,8 Fe. Прочность на растяжение (т. е. предел прочности), относительное удлинение и твердость алюминия (JIS: A5052) составляли 265 МПа, 17.4% и 86 HV соответственно. Предел прочности при растяжении (т. е. предел прочности), относительное удлинение и твердость ковкого чугуна составили 442 МПа, 18,7 %, 79,2 HRB соответственно.

Обратите внимание, что предел прочности при растяжении, относительное удлинение и твердость одного из составляющих материалов выше, чем у другого для каждого набора образцов. Это обеспечивает механическую обработку материала от мягкого к твердому или наоборот в области стыка. На рис. 1 представлены фотографии образцов, по одному из каждого набора образцов. Вспышка, образовавшаяся в области соединения (см. рис. 1), была удалена с помощью операции токарной обработки перед проведением экспериментов по механической обработке для получения данных об усилии механической обработки. Условия сварки трением, используемые для изготовления биметаллических образцов (рис. 2), перечислены в таблице 2. Как видно из таблицы 2, для образцов, названных SU-SC, вращающимся материалом был S15CK (т. е. мягкая сталь). Для образцов, названных Al-Ti, вращающимся материалом был A1070 (то есть алюминий). Для остальных образцов вращающимся материалом был А5052 (алюминий). Диаметры вращающегося материала (при сварке трением) для всех образцов составляли 12 мм. Скорость трения, давление трения и время осадки были равны 27.5 с ^–1 (1650 об/мин), 30 МПа и 6 с соответственно для всех образцов. Принимая во внимание, что время трения для образцов, а именно SU-SC, Al-Ti и Al-CI, составляло 2 с, 1 с и 3 с соответственно. Давление осадки для образцов, а именно SU-SC, Al-Ti и Al-CI, составляло 270 МПа, 90 МПа и 200 МПа соответственно. С другой стороны, условия резания для экспериментов по механической обработке приведены в таблице 3. Твердосплавные пластины (TNMG160404-MF), поставляемые Sandvik ^TM , использовались в качестве режущих инструментов для экспериментов по механической обработке. Здесь использовались две скорости резания (v _c ), 25 м/мин и 50 м/мин. Причина использования таких скоростей резания заключается в том, что большинство цеховых мастерских, где механическая обработка выполняется в реальных условиях, часто вынуждены использовать очень низкие скорости резания из-за нехватки ресурсов: подробное описание см. в [24]. выбор скорости резания на основе реальных ограничений. Однако скорость вращения патрона регулировалась в каждом проходе обработки, обеспечивая указанные выше скорости резания.Скорости резания также обеспечивают отсутствие или меньший износ инструмента при каждом проходе обработки. Аналогично скорости резания, использовались два значения подачи (f), 0,1 мм/об и 0,2 мм/об, тогда как глубина резания (a _p ) оставалась постоянной (1 мм) для всех циклов обработки. Эксперименты по механической обработке проводились в трех разных зонах каждого образца: зонах составляющих материалов и зоне соединения. На рисунке 2 один из составляющих материалов обозначен как Материал А, а другой обозначен как Материал В. В соответствии с таблицей 1 материал А означает нержавеющую сталь (JIS: SUS304), алюминий (JIS: A1070) или алюминий (JIS: A5052) для образцов SU–SC, Al–Ti или Al–CI соответственно. Точно так же материал B означает мягкую сталь (JIS: S15CK), коммерческий чистый титан (CP) или ковкий чугун для образцов SU–SC, Al–Ti или Al–CI соответственно. направления — направление от твердого материала к мягкому и наоборот (т. е. от направления материала А к материалу В и наоборот) — для каждого образца.Для этого сигналы силы обработки для длины обработки около 4 мм были записаны с использованием системы сбора данных на основе тензодатчиков, как схематично показано на рисунке 2. Как видно на рисунке 2, система выводит усилия обработки из трех разных каналы. Один из каналов регистрирует усилия в направлении скорости резания. Сигналы силы, записанные с этого канала, называются сигналами силы резания. Другой канал регистрирует усилия в направлении подачи. Сигналы усилия, записанные с этого канала, называются сигналами усилия подачи. Другой канал регистрирует усилия в направлении резцедержателя. Сигналы силы, записанные по этому каналу, называются сигналами силы тяги. Сигналы записывались через каждые 0,2 мс для трех каналов. Следует отметить, что сигналы усилия резания и подачи использовались для расчета мощности резания и, таким образом, для определения удельной энергии/давления резания. Сигналы силы тяги в расчетах не использовались, а регистрировались для получения полной картины явлений механической обработки.Однако для анализа необработанные сигналы требуют выборки. Рисунок 3 схематически иллюстрирует метод выборки. Описание выглядит следующим образом. Временной ряд сигналов силы состоит из сигналов, возникающих при приближении режущего инструмента к зоне резания, когда режущий инструмент удаляет материалы и когда режущий инструмент удаляется от зоны резания. Следовательно, необработанные сигналы, как показано на рисунке 3а, требуют дискретизации. Для проведения выборки интервал выборки, т. е. интервал времени, был выбран таким образом, чтобы сигналы в интервале выборки состояли из сигналов силы резания/подачи/толкания только тогда, когда режущий инструмент удаляет материалы либо в составляющем материале зона (т. т. е., в зоне материала А и материала Б) или в области стыка (т. е. сегмента, где материал А и В физически соединены). Случай, показанный на рисунке 3, соответствует выборке сигналов усилия обработки в области соединения. Силовые сигналы после дискретизации сбрасывались на время, равное нулю. Таким образом, между необработанными и дискретизированными сигналами выполняются следующие отношения. ∈ {С, F, Т}. Здесь C, F и T означают сигналы силы резания, подачи и толкания соответственно.Интервал [T1, T2] является интервалом дискретизации. Символ Δ представляет собой интервал дискретизации необработанных сигналов F _RX (t). Как упоминалось ранее, здесь Δ = 0,2 мс. Сегмент сигналов F _RX (t = T1), …, F _RX (t = T2) используется для получения дискретизированных сигналов. Однако временной интервал в дискретизированном сигнале может быть увеличен для анализа. Пусть F _SX (τ) — дискретизированные сигналы. Таким образом, F _SX (τ = 0) = F _RX (t = T1), F _SX (τ = λΔ) = F _RX (t = T1 + λΔ), …, F _SX (τ = nλ∆) = F _RX (t = T2). Это означает, что дискретизированный сигнал состоит из n + 1 точек данных, и точки данных собираются с использованием временного интервала λΔ. Если λ = 5, а Δ = 0,2 мс, то λΔ = 1 мс, т. е. временной интервал дискретного сигнала равен 1 мс. Следовательно, F _SX (τ) означает сигналы силы резания, подачи или толкания с временным интервалом 1 мс, где X = C, F или T соответственно. Это соглашение используется на протяжении всей статьи. Фотографии образцов, сделанные после механической обработки, приведены в Приложении A. Литий-ионная батарея

— Институт чистой энергии

Основные результаты исследований

Один из способов, с помощью которого CEI работал над достижением этой цели, заключается в прямой визуализации, в частности, с использованием рентгеновской спектроскопии.Недавно в лаборатории профессора Джерри Зайдлера был разработан метод проведения рентгеновской спектроскопии ближней краевой структуры (XANES) на рабочем столе. Этот метод может позволить относительно подробные измерения определенных характеристик внутреннего состояния батареи без необходимости вскрывать ее и, таким образом, нарушать работу системы. Раньше XANES можно было реализовать только с чрезвычайно высоким потоком излучения от таких инструментов, как синхротрон. Это чрезвычайно большие и дорогие установки стоимостью до 1 миллиарда долларов, которые пользуются таким большим спросом среди ученых, что многомесячные списки ожидания становятся нормой.Используя преимущества новых передовых оптических технологий, лаборатория Зайдлера смогла изготовить небольшой прибор стоимостью 25 000 долларов, который может имитировать измерения, проводимые на синхротроне. С помощью этого нового инструмента ученые могут получать результаты в течение нескольких часов без значительного времени ожидания, что значительно увеличивает скорость разработки нестандартных технологий.

Еще один аспект исследования аккумуляторов CEI включает создание физических, математических и вычислительных моделей внутреннего состояния аккумулятора.Это может помочь оптимизировать производительность батареи и циклы зарядки/разрядки, а также прогнозировать и предотвращать опасные отказы батареи. Профессор Венкат Субраманян, руководитель Лаборатории моделирования, анализа и управления технологическими процессами для электрохимических систем (MAPLE), разрабатывает и переформулирует физические модели батарей, а также работает над методами моделирования и решения этих моделей с большей эффективностью и точностью. Предоставив более эффективную, универсальную и точную модель технологии литий-ионных аккумуляторов, M.А.П.Л.Е. Исследования лаборатории могут помочь в разработке аккумуляторов более точно для более безопасной и эффективной работы.

Другие фокусы

Большая часть текущих исследований CEI направлена ​​на разработку способов лучшего понимания и управления важными внутренними состояниями литий-ионных аккумуляторов. Понимание внутренней работы батареи имеет важное значение для улучшения конструкции и оценки режимов ее отказа.

Другим крупным направлением исследований CEI является разработка новых материалов для улучшения характеристик аккумуляторов. В центре внимания CEI находятся как наука о материалах высокого уровня, такая как разработка и замена альтернативных материалов в литий-ионных батареях, так и характеристика и проектирование наноструктурированных материалов или материалов, свойства которых определяются даже с точностью до нанометра. . Исследователи CEI также изучают материалы, которые могут предложить альтернативу технологиям литий-ионных аккумуляторов.

Кремний исследуется в качестве анодного материала, поскольку он может образовывать трехмерную клетку, обладающую большей способностью поглощать литий.

Оптимизация проводимости и псевдоемкости биметаллических анодов сурьма-сульфид индия для натрий-ионных аккумуляторов с благоприятной кинетикой

Abstract

Сульфиды металлов перспективны для использования в щелочно-ионных аккумуляторах из-за их высокой теоретической емкости. Однако их низкая циклическая устойчивость и скоростные характеристики препятствуют их дальнейшему развитию. Чтобы избежать этих проблем, In ₂ S ₃ вводится в Sb ₂ S ₃ для улучшения его электрохимических свойств за счет оптимизации его кристаллической структуры и механизма накопления натрия. Гетероструктура, состоящая из In ₂ S ₃ и Sb ₂ S ₃ , демонстрирует уникальную морфологию муравьиных микросфер, которые обеспечивают множество каналов для быстрого переноса ионов натрия, большую площадь поверхности для сильного псевдоемкостного эффекта и достаточно пустот, чтобы компенсировать объемное расширение. Натрий-ионная батарея, содержащая биметаллический сульфидный анод, обладает высокой обратимой емкостью 400 мА·ч·г ⁻¹ и длительным сроком службы около 1000 циклов. Точно так же высокая емкость ≈610 мА·ч·г ⁻¹ достигается для литий-ионной батареи, содержащей анод.Во время содиации/дезодиации синергический эффект In ₂ S ₃ и Sb ₂ S ₃ повышает электронную проводимость и поддерживает структуру хозяина, предотвращая коллапс. Циклические и скоростные характеристики анода In ₂ S ₃ –Sb ₂ S ₃ дополнительно улучшаются за счет обертывания электрода углеродными нанотрубками. Даже при высокой плотности тока 3,2 А г ^-1 эта углеродная композитная структура по-прежнему показывает емкость около 355 мА ч г ^-1 .

Ключевые слова: аноды, гетероструктуры, Sb ₂ S ₃ , натрий-ионные батареи

1. , а в последние годы разработка катода, анода и электролита СИП быстро продвигалась.

¹ , ² , ³ , ⁴ Например, слоистые оксиды переходных металлов, ⁵ полианионные соединения, ⁶ и берлинская лазурь и ее аналоги ^{7 9001 привлекли большое внимание для использования в SIB 7 9001 их стабильных электрохимических свойств и легкости синтеза.Кроме того, были разработаны различные электролиты 8 и добавки 9 для обеспечения безопасных СИП с высокой плотностью энергии. В усилиях по дальнейшему повышению эффективности накопления энергии и безопасности SIB сульфиды металлов показали себя многообещающими в качестве анодов из-за их высокой удельной емкости и рабочего напряжения. 10 , 11 , 12 Среди сульфидов металлов Sb ₂ S ₃ проявляет сверхвысокую теоретическую емкость 946 мА рт. Na + ). 13 Тем не менее, этот материал имеет много недостатков, которые необходимо устранить, прежде чем его можно будет использовать в практических целях. Во-первых, введение Na + вызывает огромное объемное расширение, которое измельчает материалы электродов. 14 В частности, реакция сплавления между Na + и металлической сурьмой с образованием Na ₃ Sb может вызвать бурный рост до ≈400% исходного объема. 15 , 16 Во-вторых, скорость внедрения/экстракции Na + ограничена его медленной диффузией в объеме Sb ₂ S ₃ и небольшой площадью контакта между электролитом и объемным электродом. 10 Таким образом, фактические батареи с чистыми объемными Sb ₂ S ₃ анодами, вероятно, будут иметь низкую удельную мощность и плохую циклическую стабильность. В-третьих, низкая электронная проводимость Sb ₂ С ₃ ниже 1 × 10 -5 См см -1 препятствует быстрому переносу электронов в его электродах. 17}

Были использованы различные модификации, чтобы попытаться преодолеть вялую кинетику и большое изменение объема, связанное с хранением Na ⁺ в электродах Sb ₂ S ₃ .Одним из эффективных способов улучшения кинетики реакции электродов Sb ₂ S ₃ является разработка новых наноструктур с коротким диффузионным расстоянием для Na ⁺ и большими границами раздела между электролитом и электродом. ¹⁸ Например, анод в форме цветка Sb ₂ S ₃ , самостоятельно собранный из нанолистов, показал улучшенные электрохимические свойства по сравнению с объемным Sb ₂ S ₃ , что было приписано эффективному буферному объему и Na ⁺ транспорт. ¹⁹ Примечательно, что кинетика натриирования электрода Sb ₂ S ₃ зависит от одномерной силы Ван-дер-Ваальса. ²⁰ Из-за такого поведения одномерные стержнеобразные Sb ₂ S ₃ с дальним порядком решетки и наноразмерным эффектом продемонстрировали хорошую кинетику переноса заряда и высокую удельную площадь поверхности. ²¹ Высокопроизводительные электроды Sb ₂ S ₃ также могут быть изготовлены в сочетании с углеродными материалами. Например, рост Sb ₂ S ₃ in situ на многослойных углеродных нанотрубках (МУНТ) позволил получить материалы с высокой емкостью и хорошей стабильностью благодаря трехмерным пористым сеткам МУНТ. ²² Zhao and Manthiram ²³ использовали Sb ₂ S ₃ , встроенный в графит, в качестве долговечного высокопроизводительного анода для SIB. Графит действует не только как проводящая матрица, но и обеспечивает буфер между наночастицами Sb ₂ S ₃ , уменьшая объемное расширение. Сюн и др. показали, что графеновые листы, легированные серой, могут быть плотно соединены с Sb ₂ S ₃ , обеспечивая высокую электронную проводимость и защищая промежуточные продукты Sb и Na ₃ Sb. ²⁴

Основываясь на предыдущих отчетах о легировании анодов, многообещающей стратегией улучшения как структурной стабильности, так и электронной проводимости является создание интерметаллидов M (Sn, Sb, Ge и т. д.), где M является электрохимически неактивным компонента в системе. ²⁵ , ²⁶ , ²⁷ После первого цикла интерметаллиды превращаются в композит М и активных сплавов. M не только действует как буферный слой между фазами сплава Na, но также образует проводящую сеть, обеспечивающую быстрый перенос электронов в электроде.Поэтому в электроды Sb ₂ S ₃ можно вводить M (Al, Cu, Mo, Bi и др.) для улучшения их характеристик. ²⁸ , ²⁹ Электрод, состоящий из твердого раствора Bi ₂ S ₃ и Sb ₂ S ₃ , продемонстрировал высокое сохранение емкости на уровне 79% после 200 циклов, что можно объяснить синергетическим эффектом. действие этих двух компонентов. ³⁰ Недавно было показано, что образование сплава Bi-Sb в процессе циклирования может способствовать обратимости накопления Na ⁺ , что может обеспечить новую стратегию разработки биметаллических сульфидов. ³¹ В дополнение к структуре твердого раствора было разработано множество видов гетероструктур для улучшения кинетики реакции за счет эффекта встроенного электрического поля. ³² Например, гетероструктура SnS/SnO ₂ показала выдающуюся долговечность при высокой плотности тока благодаря своим улучшенным электронным транспортным свойствам по сравнению со свойствами только SnO ₂ . ³³

В этом исследовании мы формируем гетероструктуру In ₂ S ₃ и Sb ₂ S ₃ (обозначаемую как I-S), которая демонстрирует синергетически улучшенные электрохимические свойства простым синтетическим путем.I-S содержит обильные поры и довольно высокую удельную площадь поверхности, которые не только улучшают динамику хранения Na ⁺ материала за счет сильного эффекта псевдоемкости, но также обеспечивают пространство для увеличения объема в процессе хранения. Ионы индия(III) (In ³⁺ ), введенные в Sb ₂ S ₃ , влияют на конечную структуру I–S, поскольку вызывают рост кристаллов. Кроме того, низкая обратимость реакции превращения In ₂ S ₃ и электрохимически инертного In приводит к образованию буферного слоя In, подавляющего объемное расширение.Чтобы построить трехмерную проводящую сеть, мы готовим композит из МУНТ и частиц I-S (обозначаемых как I-S@MCNT).

2. Результаты и обсуждение

Образец I–S исследовали с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Фигурка
а показывает, что I–S состоял из пористых микросфер. Более пристальное наблюдение (рис. b) показало, что иерархические сферы были собраны из смятых нанолистов толщиной 5–8 нм, что обеспечивало открытые каналы для достаточной инфильтрации электролита и быстрого переноса Na ⁺ .Изображение микросфер IS в поперечном сечении (рис. c) показало, что они содержат много промежутков в своих центрах, которые могут выдерживать увеличение объема во время хранения Na ⁺ . Детальную морфологию и кристаллическую структуру I-S наблюдали с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) и просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения (HRTEM). На рисунке d показана полная сфера I-S, которая имеет пористую структуру и большую удельную площадь поверхности, что может быть связано с ее муравьиной структурой, как показано на вставке.Увеличенное изображение на рисунке e показывает, что наноканалы соединены, что должно способствовать транспорту Na ⁺ . Картины дифракции электронов с выбранной области (SAED), полученные от различных областей частицы (рис. f), содержали характерные сигналы от кристаллических плоскостей (104), (116), (212) и (200) In ₂ S ₃ и Sb ₂ S ₃ . ²¹ , ³⁴ Как показано на изображении HRTEM и соответствующем изображении с быстрым преобразованием Фурье (FFT) (рис. g), каждый монослой I-S состоит из Sb ₂ S ₃ , при этом сигналы наблюдаются от плоскостях (013) и (211), а также In ₂ S ₃ , с обнаруженными сигналами от плоскостей (104) и (110), которые связаны дислокационными областями. Изображение БПФ дополнительно подтвердило иерархическую структуру I – S, состоящую из разных кристаллических систем. Эти результаты показывают, что фазы Sb ₂ S ₃ и In ₂ S ₃ прочно связаны химическими связями. ²⁴ Кроме того, разные кристаллические плоскости этих двух соединений были связаны между собой мезофазными областями с образованием однородной гетероструктуры, как показано на рисунке S1 вспомогательной информации.

a–c) СЭМ-изображения и d–f) ПЭМ-изображения муравьевидных микросфер I–S с разным увеличением и перспективой; вставки на панелях f — САЭД-рисунки локальных участков.g) изображение HRTEM и соответствующая картина быстрого преобразования Фурье (FFT) образца I – S. h) сопоставление изображений EDX элементов In, Sb и S с соответствующим изображением HAADF. i) картина ЭДС образца I–S с соответствующим изображением SEM. j) Гистограмма распределения частиц по размерам в образце I–S. л) N ₂ изотермы адсорбции-десорбции и анализ размера пор образца I-S.

Центральное темнопольное изображение I–S на рисунке h показывает отчетливую сетчатую структуру с четко определенными границами, демонстрирующую высокую кристалличность образца I–S, которая была достигнута без энергоемкого прокаливания.Как показано на соответствующих энергодисперсионных рентгеновских картах (EDX), распределение In, Sb и S указывало на формирование однородных наночастиц I-S, содержащих сильные химические связи, а наличие пустот подтверждало наличие большого количества внутренних частиц. поры. Точное содержание In, Sb и S в образце I-S было подтверждено с помощью энергодисперсионной спектроскопии (ЭДС) (рис. i) и атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-АЭС) (таблица S1, вспомогательная информация). Состав I–S можно описать как In _0.63 Sb _1,37 S ₃ . Кроме того, образование композита не изменило элементного состава I–S (In _0,66 Sb _1,34 S ₃ @МУНТ). Обратите внимание, что сферические микрочастицы I–S (рис. j) обеспечивают высокую объемную плотность энергии, поскольку они плотно упакованы. Как показано на изотермах адсорбции-десорбции N ₂ на рисунке k, образец I-S имел площадь поверхности Брунауэра-Эммета-Теллера (БЭТ) 66,87 м ² г ^-1 , что заметно лучше по сравнению с с объемным Sb ₂ S ₃ из-за его новой муравьиной структуры.При этом средний размер пор I-S был менее 15 нм, а общий объем пор 0,353 см ³ г ^-1 (т.е. пористость ≈74%), что свидетельствует о мезопористой структуре. Дальнейший анализ размера пор показал, что частицы I-S имеют как микропористую, так и мезопористую структуру. Таким образом, электролит может полностью контактировать с поверхностью и промежутком I–S, что сокращает расстояние распространения Na ⁺ .

Низкая скорость передачи электронов обычными сульфидами металлов может вызвать вялую кинетику реакции.Чтобы избежать этой проблемы, мы скомпоновали образец I-S со сверхтонкими МУНТ методом роста in situ. Как показано на рисунке S2a вспомогательной информации, композиты I-S@MCNT содержат тесно связанные I-S и MCNT, образуя трехмерную проводящую сеть, которая может повышать скорость передачи электронов и ионов и предотвращать агломерацию частиц. Между тем, равномерное распределение In, Sb и S в наночастицах показывает, что формирование композита не изменило исходных свойств материала I-S (рисунок S2b, вспомогательная информация).

На основании дополнительных экспериментов и предыдущих отчетов, ²¹ , ³⁴ , ³⁵ прогнозируется образование сульфидов сурьмы и индия с различной морфологией в результате процесса, показанного на схеме
, который имеет шесть шагов. В начале жидкофазной реакции катионы металлов (Sb ³⁺ и In ³⁺ ) и анионы серы (S ^2– ) объединяются с образованием In ₂ S ₃ и Sb ₂ S ₃ ядер соответственно.По мере повышения температуры и давления в автоклаве из нержавеющей стали зародыши кристаллов постепенно растут в определенном направлении, образуя нанолисты вдоль граней с низкой энергией образования, что обусловлено растворителем этандиолом и взаимодействием In ₂ S ₃ и Sb ₂ S ₃ частиц. ³⁶ Аналогично, палочковидный Sb ₂ S ₃ был получен в растворе без In ³⁺ (рис. S3a, вспомогательная информация), тогда как цветок In ₂ S ₃ был получен в раствор без Sb ³⁺ при тех же условиях (рисунок S3b, вспомогательная информация).Когда реакцию поддерживали при высокой температуре в течение достаточно долгого времени, складчатые нанолисты, включающие фазы Sb ₂ S ₃ и In ₂ S ₃ , собирались электростатическими силами в пористые сферы с большой удельной поверхностью: это формиарные конструкции. Для улучшения переноса электронов между изолированными частицами I–S мы скомпоновали их с МУНТ, что не изменило их пористую сферическую морфологию.

Схематическая иллюстрация путей самосборки палочковидных Sb ₂ S ₃ , цветкообразных In ₂ S ₃ и муравьиноподобных частиц I–S.

Рентгенограммы (XRD) I-S и I-S@MCNT ( Рисунок
а) показывают пики как от In ₂ S ₃ с ромбоэдрической структурой, так и от Sb ₂ S ₃ с орторомбической структурой, что указывает на составную фазу In ₂ S _{3 0} и Sb 9 2 S ₃ . Пики при 2θ 29,3 °, 32,3 ° и 35,5 ° могут быть хорошо отнесены к кристаллическим плоскостям (211), (221) и (240) Sb ₂ S ₃ (рисунок S4, вспомогательная информация) , соответственно. ²¹ При этом пики при 26,6°, 28,7° и 33,3° соответствуют кристаллическим плоскостям (110), (101) и (102) In ₂ S ₃ соответственно. ³⁷ Можно сделать вывод, что фаза Sb ₂ S ₃ находится в пространственной группе Pbnm , а фаза In ₂ S ₃ находится в пространственной группе P3m1 . I–S был успешно скомпонован с МУНТ, что подтверждается дифракционным пиком при 25,6 ° на картине, полученной для I–S@МУНТ, которая соответствует кристаллической плоскости (002) МУНТ.Сосуществование Sb ₂ S ₃ и In ₂ S ₃ в I – S @ MCNT было дополнительно подтверждено спектроскопией комбинационного рассеяния (рис. S5, вспомогательная информация). Наблюдаемые пики при 266 и 312 см 90 009 -1 900 10 согласуются с колебаниями гомеополярных связей Sb-Sb и In-In соответственно. ³⁸

а) Рентгенограммы образцов МУНТ, I–S и I–S@МУНТ. б) кривые ТГ образцов ISS и ISS@MCNTs. c) спектр обзора XPS и d) Sb 3d, e) In 3d и f) S 2p XPS-спектры высокого разрешения композита I-S@MCNTs.

Термогравиметрический анализ (ТГА) был выполнен на воздухе для подтверждения содержания углерода в композите I–S@MCNT. Как показано на рисунке b, кривые ТГА I-S и I-S @ МУНТ показали потерю массы около 20,9% и 29,9% соответственно в диапазоне температур 100–700 ° C. Эти потери массы связаны с двумя реакциями: (1) превращением сульфидов индия и сурьмы в их оксиды, которое происходило в обоих образцах; ³⁹ и (2) газ, образующийся при сгорании МУНТ, который имел место только для I–S@МУНТ.Содержание МУНТ, определенное по результатам ТГА, составляет ≈9,0 %, что является разумным значением для достижения баланса между плотностью энергии и проводимостью.

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС) использовалась для проверки присутствия In, Sb, S, C и O в I–S@MCNT, как показано на рисунке c. В спектре Sb 3d (рис. d) характерные пики при 529,8 и 539,2 эВ относятся к Sb 3d _5/2 и Sb 3d _3/2 соответственно, что указывает на присутствие Sb ³⁺ .Кроме того, в спектре Sb 3d появляется пик O 1s, который, вероятно, происходит от кислородсодержащих функциональных групп на МУНТ. Эти функциональные группы могут эффективно улучшить способность материала накапливать натрий за счет поверхностных окислительно-восстановительных реакций. ²² Характеристические пики при 445,1 и 452,6 эВ на рисунке д соответствуют сигналам In 3d _5/2 и In 3d _3/2 In ³⁺ соответственно. ³⁷ Спектр S 2p (рис. f) показывает пики около 161.5 и 162,9 эВ, которые мы приписываем S 2p _3/2 и S 2p _1/2 соответственно. Этот спектр можно дополнительно уложить в четыре пика, происходящих от атомов S в различных функциональных группах, включая одиночные дублеты от связей S-Sb и In-Sb. Между тем химическое взаимодействие МУНТ с I–S подтверждается наличием сигнала от связей S=C=S. ⁴⁰ Как показано на рис. S6 вспомогательной информации, сигнал, соответствующий двойным связям в спектре C 1s, также указывал на комбинацию I–S и MCNT.Все измеренные физико-химические свойства образцов I–S и I–S@МУНТ позволяют предположить, что они содержат гетероструктуру In ₂ S ₃ и Sb ₂ S ₃ с муравьиной структурой.

Электрохимические характеристики электрода I–S@MCNT оценивали путем измерения кривых гальваностатического заряда/разряда. Как показано на рисунке
а, электрод демонстрировал способность к обратимому заряду 470 мА·ч·г ^-1 при плотности тока 200 мА·г ^-1 с высокой кулоновской эффективностью более 98% после 13 циклов.Вклад емкости МУНТ в общую емкость электрода I-S@MCNT был очень ограничен (рисунок S7a, вспомогательная информация) из-за их низкой электрохимической активности (рисунок S7b, вспомогательная информация) и небольшого содержания в электроде. Неизолированный эталонный электрод Sb ₂ S ₃ показал быстрое снижение емкости, как показано на рисунках S8a и S9a вспомогательной информации. Предполагается, что синергетический эффект Sb ₂ S ₃ и In ₂ S ₃ повышает устойчивость к циклированию электрода I–S@MCNT.Меньшая удельная емкость электрода I–S@МУНТ по сравнению с электродом Sb ₂ S ₃ может быть связана с образованием инертных компонентов в процессе циклирования, на которое расходуется определенное количество активных компонентов.

а) Циклические характеристики электродов И-С и И-С@МУНТ. б) Зарядно-разрядные кривые I–S и I–S@МУНТ в диапазоне напряжений 0,01–2,5 В при плотности тока 200 мА г ^-1 . c) Оцените характеристики электродов I–S и I–S@МУНТ.г) Зарядно-разрядные кривые I–S@МУНТ при различных плотностях тока. д) Работа электрода I–S@МУНТ в длительном цикле, испытанная при плотности тока 400 мА г ^-1 , на вставке представлена ​​гистограмма сохранения емкости.

Профили заряда/разряда электрода I–S@MCNT в течение первого цикла (рис. б) аналогичны кривым циклической вольтамперометрии (ЦВА) и могут быть разделены на четыре части, которые демонстрируют последовательный процесс накопления натрия с участием интеркаляции , преобразование и легирование.Обратите внимание, что как Sb ³⁺ , так и In ³⁺ проявляли электрохимическую активность в реакции накопления натрия, а это означает, что две пары Na ⁺ могут быть захвачены в процессе введения и экстракции. Однако натрий и дезодиация In ₂ S ₃ (рисунок S10, вспомогательная информация) происходят при потенциалах, близких к потенциалам Sb ₂ S ₃ . В дальнейшем In-содержащие компоненты постепенно превращались в инертные компоненты, что приводило к существованию только одной группы окислительно-восстановительных пиков на ЦВА.Кроме того, плато напряжения в профилях заряда/разряда после 100 циклов прекрасно сохранялись без увеличения напряжения поляризации. Однако увеличение поляризационного напряжения между кривыми заряда и разряда электрода In ₂ S ₃ (рисунок S9b, вспомогательная информация) может быть непосредственной причиной его плохой работы при циклировании.

Электрод I-S@MCNT продемонстрировал пропускную способность до 3,2 А г ^-1 , как показано на рисунке c.Обратимые емкости стабилизировались на уровне 467, 452, 431 и 402 мА·ч·г·^-1· при плотностях тока 200, 400, 800 и 1600 мА·ч·г·^-1· соответственно. Удельная емкость 355 мА г ^-1 была получена при сверхвысокой плотности тока 3,2 А г ^-1 . Когда плотность тока была возвращена к 200 мА·ч·г ^-1 , емкость полностью восстановилась до 454 мА·ч·г ^-1 после 40 циклов. На рисунках S8b и S9c вспомогательной информации сравниваются емкости электродов I–S@MCNT, Sb ₂ S ₃ и In ₂ S ₃ при различных плотностях тока, демонстрируя значительно улучшенные характеристики скорости тока. Электрод I–S@MCNT по сравнению с другими электродами.

При увеличении плотности тока с 200 до 3200 мА·г ⁻¹ профили заряда и разряда электрода I–S@MCNT (рис. d) оставались одинаковыми, что свидетельствует о высокой скорости миграции композита, обернутого МУНТ. Na ⁺ и электронов (рисунок S11, вспомогательная информация). Однако начальные напряжения профилей разряда и заряда электрода In ₂ S ₃ (рисунок S9d, вспомогательная информация) были совершенно разными при 1.58 и 0,1 В соответственно, значительно отклоняясь от установленных значений. После 1000 циклов (рис. д) электрод In ₂ S ₃ по-прежнему демонстрировал значительную емкость ≈400 мА·ч·г ^–1· при плотности тока 400 мА·г·^–1·, сохраняя 84,2 % своей емкости. начальная емкость заряда. Циклическая стабильность и скорость электрода I–S@MCNT и других электродов на основе Sb ₂ S ₃ сравниваются в таблице S2 (вспомогательная информация), иллюстрирующей значительное улучшение электрохимических свойств, достигнутое для электрода I–S. @MCNT-электрод.Композит In ₂ S ₃ –Sb ₂ S ₃ играет решающую роль в улучшении долгосрочной циклируемости и производительности электрода I–S@MCNT.

Электрод I–S@MCNT также продемонстрировал выдающиеся характеристики в качестве анода для ЛИА (рис. S12a, вспомогательная информация), обеспечив обратимую зарядную емкость 613 мА·ч·г ⁻¹ после 100 циклов. Профили заряда/разряда электрода I–S@MCNT в ЛИА (рисунок S12b, вспомогательная информация) указывают на процесс хранения лития, аналогичный процессу хранения натрия, состоящий из реакций интеркаляции, конверсии и сплавления.После длительного циклирования мы измерили кривые метода гальваностатического прерывистого титрования (GITT) для электрода I-S@MCNT (рис. S13a, вспомогательная информация), которые показали, что его профили заряда/разряда были близки к термодинамическому равновесию. ²³ , ⁴¹ Высокий средний потенциал накопления натрия электрода I–S@MCNT (выше 0,5 В) предотвращает опасность дендритов натрия, что делает его безопасным анодом для SIB. Результаты GITT показали, что электрод I-S@MCNT демонстрирует значительные коэффициенты химической диффузии даже после 600 циклов (рисунок S13b, вспомогательная информация), что приводит к высокой ионной проводимости.

Проведена серия электрохимических экспериментов по изучению кинетики накопления Na ⁺ электродом I–S@МУНТ. Как показано на вставке Рисунок
а, на ЦВА первого цикла наблюдается большой пик восстановления в области потенциалов 0,65–1,35 В, свидетельствующий об образовании на поверхности электрода межфазной пленки твердого электролита. Одновременно с этой необратимой реакцией пассивации Na ⁺ внедрялся в основную структуру I–S.Затем реакция конверсии между Na ₂ S, Sb, In и I–S происходила при напряжении около 0,5 В. Очевидный пик восстановления при 0,2–0,4 В может быть связан с конверсией и сплавлением во время образования Na _x Sb . ²⁴ , ³⁷ Сканирование в обратном направлении дало четыре анодных пика, связанных с обратимой экстракцией натрия. Однако окислительно-восстановительные пики в более поздних циклах сильно отличались от пиков первого цикла. Мы связываем это различие с изменением состава электрода при циклировании.Среди этих пиков те, что обозначены как I и V; II и VI; а III, IV, VII и VIII связаны с реакциями введения, превращения и сплавления Na соответственно. Острые окислительно-восстановительные пики при более низком потенциале возникают из-за накопления натрия в МУНТ. ⁴² Хорошая воспроизводимость кривых CV при непрерывной зарядке и разрядке показывает, что электрод имеет как сильно обратимую структуру, так и реакционную активность.

Кинетический анализ накопления натрия в электроде И-Т@МУНТ: а) ЦВА электрода И-Т@МУНТ на 2-м, 3-м и 4-м циклах, первый цикл описан на вставке.б) ЦВА электрода I–S@МУНТ при различных скоростях сканирования от 0,1 до 5 мВ с ⁻¹ . c) Линейный график зависимости между log(Ip) и log(v) как для анодного, так и для катодного сканирования электрода I-S@MCNTs. d) Емкостный вклад (желтая область) и диффузионный вклад (фиолетовая область) для рабочего тока, полученные при скорости сканирования 0,5 мВ с ^-1 . e) Нормализованный вклад емкостных емкостей при различных скоростях сканирования. е) ЭИС электрода I–S@МУНТ после соответствующих скоростей сканирования.

Чтобы исследовать механизм накопления натрия в электроде I–S@MCNT, мы измерили CV-кривые при разных скоростях сканирования, которые выявили две пары окислительно-восстановительных пиков (рис. b). Катодный пик А соответствует интеркаляции Na ⁺ в слоистую структуру Sb ₂ S ₃ . Соответственно, анодный пик D соответствует деинтеркаляции Na ⁺ из Sb ₂ S ₃ . Пики B и C возникают в результате реакций превращения и сплавления с аналогичными потенциалами.Эти четко выраженные окислительно-восстановительные пики показывают, что реакции натрий- и десодиации на электроде одинаковы при разных скоростях сканирования. Как показано в предыдущей работе ⁴³ , ⁴⁴ , емкостной вклад на поверхности электрода в общую емкость накопления натрия может быть качественно подтвержден путем оценки зависимости между скоростью сканирования ( v ) и регистрируемым током ( i ). ) из CV-кривых, измеренных при различных скоростях развертки

Здесь наклон b , определяемый линейной зависимостью между log v и log i , описывает процесс накопления ионов в электроде.Для процесса, контролируемого диффузией, b приближается к 0,5, тогда как для процесса с преобладанием емкости оно приближается к 1. Следовательно, высокие значения b электрода I-S@MCNT (0,771, 0,774, 0,8 и 0,9 для пиков A, B, C и D соответственно) демонстрируют его благоприятную емкостную кинетику (рис. c). Псевдоемкостные характеристики электрода отражаются в медленном изменении нормированной емкости по мере увеличения скорости сканирования с 0,1 до 1 мВ с ^-1 (рисунок S14, вспомогательная информация).

Токовый отклик при определенном потенциале имеет вклад от диффузионной вставки и поверхностно-емкостных эффектов

Здесь k
₁ v и к
₂ v
^1/2 представляют собой вклады в ток от процесса с преобладанием емкости и процесса, контролируемого интеркаляцией, соответственно. Значения к
₁ и к
₂ можно однозначно определить при фиксированном потенциале.Вклад интеркаляции доминирует вблизи диапазона напряжений окислительно-восстановительного пика, где окислительно-восстановительные реакции Sb ³⁺ /Sb ⁰ и In ³⁺ /In ⁰ могут способствовать диффузии натрия. ⁴⁵ Следовательно, соответствующий текущий вклад для псевдоемкостного процесса может быть количественно рассчитан по потенциалу. На рисунке d показано соотношение между общим накопленным зарядом и емкостным накопленным зарядом, что указывает на то, что 60.9% от общего заряда является емкостным при скорости сканирования 0,5 мВ с ^-1 . Кроме того, были рассчитаны коэффициенты емкостного вклада при других скоростях сканирования, как показано на рисунке e. Емкостный вклад сильно зависит от скорости сканирования, увеличиваясь от 52,1% от общей емкости при 0,1 мВ с ^-1 до максимума 73,4% при 5 мВ с ^-1 . Таким образом, мы делаем вывод, что выдающиеся характеристики электрода I-S@MCNT обусловлены его псевдоемкостным эффектом, который возникает из-за его большой площади поверхности и большого количества пор, которые обеспечивают множество активных центров и быструю кинетику накопления натрия.

Повышенная кинетика реакции электрода I–S@MCNT, вызванная сотовой структурой и высокой проводимостью MCNT, также была подтверждена с помощью спектроскопии электрохимического импеданса (EIS), как показано на рисунке f. Кривая EIS состояла из плоской полуокружности в высокочастотной области и изогнутой линии в низкочастотной области. В соответствии с эквивалентной схемой, предложенной в другом отчете, ⁴⁶ , было подтверждено, что поверхностное сопротивление и сопротивление переносу заряда электрода I–S@MCNT при различных скоростях сканирования являются низкими (в диапазоне 200–300 Ом), что указывает на превосходные характеристики переноса электронов и реакции по сравнению с электродом In ₂ S ₃ (рис. S15, вспомогательная информация).

Мы подробно исследовали механизм накопления натрия в электроде I–S@MCNT, проведя различные измерения ex situ. Когда напряжение было уменьшено до 0,9 В (обозначено как «D0,9 В»), в результате реакции преобразования образовались металлический Sb, металлический In и Na ₂ S, как показано пиками при 25,6°, 36,3° и 38,9°. , соответственно, на рентгенограммах ex situ ( Рисунок
а). ⁴⁷ Обратите внимание, что характерный пик при 33° появился, когда элемент был разряжен до 0,6 В (названный «D0.6 В»), что указывает на образование фазы InSb с пространственной группой I41/amd . Эта фаза может эффективно смягчить влияние объемного расширения во время циклирования из-за ее электрохимической инертности при хранении Na ⁺ . Когда ячейка полностью разряжена (обозначена как «D0,01 В»), ее слабые полосы решетки указывают на то, что продукты разрядки имеют низкую кристалличность. Пик при 29,7° указывает на то, что между натрием и сурьмой происходит реакция сплавления с образованием Na ₃ Sb. ¹⁵ При обратной зарядке (рентгенограмма измерялась при ≈1,3 В) Sb ₂ S ₃ постепенно регенерировался с высокой обратимостью. В частности, интенсивный пик при 36,3° не исчезал при экстракции Na ⁺ , что свидетельствует о переходе частично металлического индия в необратимые компоненты. Эти компоненты играли решающую роль в качестве буферного слоя, предотвращая измельчение материала из-за огромного объемного расширения во время содирования/десодиирования.Это явление может объяснить большую разницу между первой и второй кривыми ЦВА, которая возникает из-за разного химического состава электрода в первом и втором циклах.

Измерения Ex situ электрода I–S в процессе заряда–разряда: a) XRD-рентгенограммы Ex situ, снятые при различных потенциалах. б) Профили зарядки-разрядки третьего цикла при 100 мА г ^-1 , вставки — иллюстрация эволюции структуры I-S. c) Ex situ TEM и соответствующие изображения HRTEM, вставки в изображениях HRTEM представляют собой относительные шаблоны FFT.г) Ex situ комбинационное картирование электрода I-S.

Наличие активной сурьмы и инертного индия в электроде I–S@MCNT также подтверждено методом РФЭС. Пик при 768,2 эВ (рисунок S16a, вспомогательная информация) постепенно исчезал во время разряда, а затем снова появлялся в обратном процессе, указывая на обратимое изменение валентности пары Sb ³⁺ /Sb ⁰ . Пики при энергиях связи 452,6 и 445 эВ (рис. S16b, вспомогательная информация) относятся к уровням 3d _3/2 и 3d _5/2 In ³⁺ соответственно.Энергии связи этих пиков уменьшались на 0,5 эВ во время разряда, что указывает на восстановление In ³⁺ . Сигнал In ⁰ всегда наблюдался в последовательных реакциях натрия и дезодиирования, что свидетельствовало о необратимом образовании некоторого количества индия в электроде. В совокупности результаты показывают, что хранение и извлечение Na ⁺ в электроде I-S@MCNT включает трехэтапный процесс интеркаляции, конверсии и легирования (рис. b). На вставке к рисунку b показаны различные составы электродов при различных диапазонах напряжения, соответствующих наличию обратимых и необратимых продуктов.

Для непосредственного наблюдения этих продуктов, особенно для слабокристаллических соединений, изображения HRTEM (рис. c) были получены при четырех потенциалах, упомянутых выше. В образце «D0,9 V» расстояния d , равные 0,312 и 0,275 нм, соответствуют кристаллическим плоскостям (021) и (101) металлической сурьмы и индия соответственно. Фаза InSb появлялась между двумя фазами металлической сурьмы, что уменьшало объемное расширение и взаимное выдавливание натриевой сурьмы.Изображение HRTEM образца «D0,01 V» показывает присутствие Na ₃ Sb, образованного путем полного сплавления Sb, о чем свидетельствуют полосы (311) для Na ₃ Sb. Когда электрод I–S@MCNT был заряжен до 1,3 В, на изображении HRTEM вновь появились четкие (231) полосы Sb ₂ S ₃ с высокой степенью кристалличности из-за высокообратимой реакции конверсии. Фаза InSb, оставшаяся в промежутках между Sb ₂ S ₃ , обеспечивает эффективный буфер для последующих реакций конверсии и сплавления.

На рисунке d показаны карты комбинационного рассеяния, которые показывают интенсивность связей Sb-Sb в электродах в различных состояниях, показывая их химический состав и состояния интерфейса. ⁴⁸ Высокообратимый процесс накопления Na ⁺ может быть подтвержден повторным появлением металлической Sb. Основываясь на низкой кристалличности, наблюдаемой на рентгенограммах, существование интерметаллического InSb продемонстрировано в спектрах комбинационного рассеяния (рисунок S17, вспомогательная информация), которые показывают характерные пики связи In-Sb при 149.1 и 465,8 см ^-1 . При полной разрядке электрода связи Sb—Sb постепенно исчезают, образуя Na ₃ Sb. Спектры комбинационного рассеяния были воспроизведены для одного и того же электрода в разных областях, что свидетельствует об однородном пассивирующем слое, сформированном на поверхности электрода.

Чтобы лучше понять улучшенные электрохимические характеристики в гетероструктуре In ₂ S ₃ и Sb ₂ S ₃ , мы использовали теорию функционала плотности (DFT) для исследования энергетических зонных структур и распределения электронных облаков In ₂ S ₃ , Sb ₂ S ₃ , I–S и их Na-вставленные структуры.Вставки Фигура
показать оптимизированные модельные диаграммы этих материалов. Ширина запрещенной зоны относится к расстоянию между дискретной валентной зоной (VB) и зоной проводимости (CB). От –15 до 5 эВ паттерны плотности состояний (DOS) и паттерны парциальной плотности состояний (PDOS) In, Sb и S в I – S (рис. c) демонстрируют гораздо более узкую ширину запрещенной зоны (0,116 эВ), чем таковые у Sb ₂ S ₃ (1,458 эВ, рис. а) и In ₂ S ₃ (0,663 эВ, рис. б), показывая, что гетероструктура имеет улучшенную электронную проводимость.Это явление может быть связано с делокализованными орбиталями In 3d и Sb 3d, которые расширяют VB и CB и, таким образом, сужают запрещенную зону. ⁴⁹ Более того, уровень Феми сместился к CB, что свидетельствует о том, что первичными носителями в этой структуре были электроны.

Состояния парциальной плотности (PDOS, отмечены коричневой линией для In, зеленой для Sb, оранжевой для S, красной для Na) и полной плотности состояний (TDOS, отмечены синей линией) a) In ₂ S ₃ , б) Sb ₂ S ₃ , в) гетероструктура I–S и г) Na-вставка In ₂ S ₃ , д) Na-вставка Sb 1 2 S ₃ , f) Na-вставка I–S.На вставках представлены соответствующие кристаллические структуры этих соединений. g) Схематическое изображение буферного действия и проводящей функции In-содержащего слоя.

Ширина запрещенной зоны Sb ₂ S ₃ (рис. e) и I–S (рис. f) постепенно сужалась до 0,913 и 0,103 эВ соответственно, когда Na ⁺ был вставлен в структуры-хозяева. Мы связываем такое поведение с повышенным перекрытием электронных орбиталей Sb, S и Na, что указывает на высокую активность Sb ₂ S ₃ и I–S по отношению к Na ⁺ .Напротив, ширина запрещенной зоны In ₂ S ₃ расширилась после введения Na ⁺ (рис. d), обнаружив более низкую активность по отношению к Na ⁺ и стабильную структуру хранения натрия. При этом энергетический барьер I–S (3,8323 эВ) несколько ниже, чем у In ₂ S ₃ (3,9352 эВ) и Sb ₂ S ₃ (3,9926 эВ), что подтверждается формулой Е
_{шлагбаум} = E
_{натрий электрод} – ( E
_{электрод} + E
_Na+ ).В таблице S3 (вспомогательная информация) представлены подробные энергетические данные для этих соединений.

In-содержащие компоненты действуют как электронные транспортные пути и буферные слои в электроде I–S@MCNT во время введения/извлечения Na ⁺ , как показано на рисунке g.