Ingenieurs aan die Universiteit van Kalifornië San Diego het litium-ioon-batterye ontwikkel wat goed presteer teen ysige koue en versengende warm temperature, terwyl hulle baie energie inpak.Die navorsers het hierdie prestasie bereik deur 'n elektroliet te ontwikkel wat nie net veelsydig en robuust is oor 'n wye temperatuurreeks nie, maar ook versoenbaar is met 'n hoë-energie-anode en katode.
Die temperatuurbestande batteryeword beskryf in 'n referaat wat die week van 4 Julie gepubliseer is in Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Sulke batterye kan elektriese voertuie in koue klimate toelaat om verder te reis op 'n enkele lading;hulle kan ook die behoefte aan verkoelingstelsels verminder om te verhoed dat die voertuie se batterypakke in warm klimate oorverhit, het Zheng Chen, 'n professor in nano-ingenieurswese aan die UC San Diego Jacobs Skool vir Ingenieurswese en senior skrywer van die studie, gesê.
“Jy het hoëtemperatuur-werking nodig in gebiede waar die omgewingstemperatuur die driedubbele syfers kan bereik en die paaie selfs warmer word.In elektriese voertuie is die batterypakke tipies onder die vloer, naby hierdie warm paaie,” verduidelik Chen, wat ook 'n fakulteitslid van die UC San Diego Sustainable Power and Energy Centre is.“Batterye word ook warm net vandat 'n stroom tydens werking deurloop.As die batterye nie hierdie opwarming by hoë temperatuur kan verdra nie, sal hul werkverrigting vinnig verswak.”
In toetse het die bewys-van-konsep-batterye 87,5% en 115,9% van hul energiekapasiteit by onderskeidelik -40 en 50 C (-40 en 122 F) behou.Hulle het ook hoë Coulombic-doeltreffendheid van onderskeidelik 98,2% en 98,7% by hierdie temperature gehad, wat beteken die batterye kan meer laai- en ontladingsiklusse ondergaan voordat hulle ophou werk.
Die batterye wat Chen en kollegas ontwikkel het, is beide koue- en hittebestand danksy hul elektroliet.Dit is gemaak van 'n vloeibare oplossing van dibutiel-eter gemeng met 'n litiumsout.'n Spesiale kenmerk van dibutieleter is dat sy molekules swak aan litiumione bind.Met ander woorde, die elektrolietmolekules kan maklik litiumione los terwyl die battery loop.Hierdie swak molekulêre interaksie, het die navorsers in 'n vorige studie ontdek, verbeter batterywerkverrigting by temperature onder nul.Boonop kan dibutieleter maklik die hitte vat omdat dit by hoë temperature vloeibaar bly (dit het 'n kookpunt van 141 C, of 286 F).
Stabilisering van litium-swael chemieë
Wat ook besonders aan hierdie elektroliet is, is dat dit versoenbaar is met 'n litium-swaelbattery, wat 'n tipe herlaaibare battery is wat 'n anode van litiummetaal en 'n katode van swael het.Litium-swaelbatterye is 'n noodsaaklike deel van die volgende generasie batterytegnologieë omdat hulle hoër energiedigthede en laer koste belowe.Hulle kan tot twee keer meer energie per kilogram stoor as vandag se litiumioonbatterye — dit kan die reeks elektriese voertuie verdubbel sonder enige toename in die gewig van die batterypak.Swael is ook meer volop en minder problematies om te verkry as die kobalt wat in tradisionele litium-ioonbatterykatodes gebruik word.
Maar daar is probleme met litium-swael batterye.Beide die katode en anode is superreaktief.Swawel katodes is so reaktief dat hulle oplos tydens battery werking.Hierdie probleem word erger by hoë temperature.En litiummetaalanodes is geneig om naaldagtige strukture genaamd dendriete te vorm wat dele van die battery kan deurboor, wat veroorsaak dat dit kortsluit.As gevolg hiervan hou litium-swaelbatterye net tot tientalle siklusse.
"As jy 'n battery met hoë energiedigtheid wil hê, moet jy gewoonlik baie harde, ingewikkelde chemie gebruik," het Chen gesê.“Hoë energie beteken meer reaksies vind plaas, wat minder stabiliteit, meer agteruitgang beteken.Om 'n hoë-energie battery te maak wat stabiel is, is self 'n moeilike taak - om dit deur 'n wye temperatuurreeks te probeer doen, is selfs meer uitdagend.
Die dibutiel-eter-elektroliet wat deur die UC San Diego-span ontwikkel is, voorkom hierdie probleme, selfs by hoë en lae temperature.Die batterye wat hulle getoets het, het baie langer fietslewens gehad as 'n tipiese litium-swaelbattery."Ons elektroliet help om beide die katodekant en anodekant te verbeter, terwyl dit hoë geleidingsvermoë en grensvlakstabiliteit bied," het Chen gesê.
Die span het ook die swaelkatode ontwerp om meer stabiel te wees deur dit op 'n polimeer te ent.Dit verhoed dat meer swael in die elektroliet oplos.
Volgende stappe sluit in om die batterychemie op te skaal, dit te optimaliseer om by selfs hoër temperature te werk en die sikluslewe verder te verleng.
Referaat: "Oplosmiddelseleksiekriteria vir temperatuurbestande litium-swaelbatterye."Mede-outeurs sluit in Guorui Cai, John Holoubek, Mingqian Li, Hongpeng Gao, Yijie Yin, Sicen Yu, Haodong Liu, Tod A. Pascal en Ping Liu, almal by UC San Diego.
Hierdie werk is ondersteun deur 'n Vroeë Loopbaan Fakulteit-toekenning van NASA se Space Technology Research Grants-program (ECF 80NSSC18K1512), die National Science Foundation deur die UC San Diego Materials Research Science and Engineering Centre (MRSEC, toekenning DMR-2011924), en die Kantoor van Voertuigtegnologieë van die Amerikaanse departement van energie deur die navorsingsprogram vir gevorderde batterymateriaal (Battery500-konsortium, kontrak DE-EE0007764).Hierdie werk is gedeeltelik uitgevoer by die San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) by UC San Diego, 'n lid van die National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, wat deur die National Science Foundation ondersteun word (toekenning ECCS-1542148).
Plaas tyd: Aug-10-2022