تعمل هذه البطاريات المملوءة بالطاقة بشكل جيد في البرد القارس والحرارة

قام المهندسون في جامعة كاليفورنيا سان دييغو بتطوير بطاريات ليثيوم أيون تعمل بشكل جيد في درجات الحرارة الباردة والساخنة الحارقة، مع تعبئة الكثير من الطاقة.أنجز الباحثون هذا العمل الفذ من خلال تطوير إلكتروليت ليس فقط متعدد الاستخدامات وقوي عبر نطاق واسع من درجات الحرارة، ولكنه متوافق أيضًا مع الأنود والكاثود عالي الطاقة.
البطاريات المقاومة للحرارةموصوفة في ورقة نشرت في الأسبوع الذي يبدأ في 4 يوليو في وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم (PNAS).
يمكن لمثل هذه البطاريات أن تسمح للسيارات الكهربائية في المناخات الباردة بالسفر لمسافة أبعد بشحنة واحدة؛وقال تشنغ تشين، أستاذ هندسة النانو في كلية الهندسة بجامعة كاليفورنيا في سان دييغو جاكوبس وكبير مؤلفي الدراسة، إنها يمكن أن تقلل أيضًا من الحاجة إلى أنظمة التبريد للحفاظ على بطاريات المركبات من السخونة الزائدة في المناخات الحارة.
"أنت بحاجة إلى تشغيل بدرجة حرارة عالية في المناطق التي يمكن أن تصل فيها درجة الحرارة المحيطة إلى ثلاثة أرقام وتصبح الطرق أكثر سخونة.وأوضح تشين، وهو أيضًا عضو هيئة التدريس في مركز الطاقة والطاقة المستدامة بجامعة كاليفورنيا في سان دييغو: "في السيارات الكهربائية، عادة ما تكون مجموعات البطاريات تحت الأرض، بالقرب من هذه الطرق الساخنة"."أيضًا، ترتفع درجة حرارة البطاريات بمجرد مرور التيار أثناء التشغيل.إذا لم تتمكن البطاريات من تحمل هذا التسخين في درجة حرارة عالية، فسوف يتدهور أدائها بسرعة.
في الاختبارات، احتفظت البطاريات المثبتة للمفهوم بنسبة 87.5% و115.9% من سعة الطاقة عند -40 و50 درجة مئوية (-40 و122 فهرنهايت)، على التوالي.كما أنها تتمتع بكفاءة كولومية عالية تبلغ 98.2% و98.7% عند درجات الحرارة هذه، على التوالي، مما يعني أن البطاريات يمكن أن تخضع لمزيد من دورات الشحن والتفريغ قبل أن تتوقف عن العمل.
تتميز البطاريات التي طورها تشن وزملاؤه بأنها تتحمل البرودة والحرارة بفضل إلكتروليتاتها.وهو مصنوع من محلول سائل من إيثر ثنائي بوتيل ممزوج بملح الليثيوم.من السمات الخاصة بإيثر ثنائي بوتيل أن جزيئاته ترتبط بشكل ضعيف بأيونات الليثيوم.بمعنى آخر، يمكن لجزيئات الإلكتروليت أن تطلق أيونات الليثيوم بسهولة أثناء تشغيل البطارية.وهذا التفاعل الجزيئي الضعيف، الذي اكتشفه الباحثون في دراسة سابقة، يحسن أداء البطارية عند درجات حرارة تحت الصفر.بالإضافة إلى ذلك، يمكن لإيثر ثنائي بوتيل أن يتحمل الحرارة بسهولة لأنه يظل سائلاً عند درجات حرارة عالية (تبلغ نقطة غليانه 141 درجة مئوية، أو 286 درجة فهرنهايت).
استقرار كيمياء الليثيوم والكبريت
ما يميز هذا المنحل بالكهرباء أيضًا هو أنه متوافق مع بطارية الليثيوم والكبريت، وهو نوع من البطاريات القابلة لإعادة الشحن التي تحتوي على أنود مصنوع من معدن الليثيوم وكاثود مصنوع من الكبريت.تعد بطاريات الليثيوم والكبريت جزءًا أساسيًا من تقنيات بطاريات الجيل التالي لأنها تعد بكثافة طاقة أعلى وتكاليف أقل.ويمكنها تخزين ما يصل إلى ضعفي الطاقة لكل كيلوغرام من بطاريات الليثيوم أيون الموجودة اليوم، وهذا يمكن أن يضاعف نطاق السيارات الكهربائية دون أي زيادة في وزن حزمة البطارية.كما أن الكبريت أكثر وفرة وأقل إشكالية في المصدر من الكوبالت المستخدم في كاثودات بطاريات الليثيوم أيون التقليدية.
ولكن هناك مشاكل مع بطاريات الليثيوم والكبريت.كل من الكاثود والأنود متفاعلان للغاية.كاثودات الكبريت شديدة التفاعل بحيث تذوب أثناء تشغيل البطارية.وتزداد هذه المشكلة سوءًا في درجات الحرارة المرتفعة.وتكون أنودات معدن الليثيوم عرضة لتشكيل هياكل تشبه الإبرة تسمى التشعبات التي يمكن أن تخترق أجزاء من البطارية، مما يؤدي إلى حدوث ماس كهربائي.ونتيجة لذلك، فإن بطاريات الليثيوم والكبريت لا تدوم إلا لعشرات الدورات.
وقال تشين: "إذا كنت تريد بطارية ذات كثافة طاقة عالية، فستحتاج عادةً إلى استخدام كيمياء قاسية ومعقدة للغاية"."الطاقة العالية تعني حدوث المزيد من التفاعلات، مما يعني استقرارًا أقل، والمزيد من التدهور.إن صنع بطارية مستقرة وعالية الطاقة هي مهمة صعبة في حد ذاتها، ومحاولة القيام بذلك من خلال نطاق واسع من درجات الحرارة هو أمر أكثر صعوبة.
يمنع إلكتروليت إيثر ثنائي بوتيل الذي طوره فريق جامعة كاليفورنيا في سان دييغو هذه المشكلات، حتى في درجات الحرارة العالية والمنخفضة.تتمتع البطاريات التي اختبروها بعمر افتراضي أطول بكثير من بطارية الليثيوم والكبريت النموذجية.وقال تشين: "يساعد المنحل بالكهرباء الخاص بنا على تحسين جانب الكاثود وجانب الأنود مع توفير موصلية عالية واستقرار بيني".
قام الفريق أيضًا بتصميم كاثود الكبريت ليكون أكثر استقرارًا عن طريق تطعيمه بالبوليمر.وهذا يمنع المزيد من الكبريت من الذوبان في المنحل بالكهرباء.
تتضمن الخطوات التالية زيادة كيمياء البطارية، وتحسينها للعمل في درجات حرارة أعلى، وإطالة عمر الدورة.
ورقة: "معايير اختيار المذيبات لبطاريات الليثيوم والكبريت المقاومة للحرارة."ومن بين المؤلفين المشاركين جوروي كاي، وجون هولوبيك، ومينجكيان لي، وهونجبينج جاو، وييجي يين، وسيسين يو، وهاودونج ليو، وتود أ. باسكال، وبينج ليو، وجميعهم من جامعة كاليفورنيا في سان دييغو.
تم دعم هذا العمل من خلال منحة الكلية المهنية المبكرة من برنامج منح أبحاث تكنولوجيا الفضاء التابع لناسا (ECF 80NSSC18K1512)، والمؤسسة الوطنية للعلوم من خلال مركز علوم وهندسة أبحاث المواد بجامعة كاليفورنيا في سان دييغو (MRSEC، منحة DMR-2011924)، ومكتب تقنيات المركبات التابعة لوزارة الطاقة الأمريكية من خلال برنامج أبحاث مواد البطاريات المتقدمة (Battery500 Consortium، العقد DE-EE0007764).تم تنفيذ هذا العمل جزئيًا في البنية التحتية لتقنية النانو في سان دييغو (SDNI) في جامعة كاليفورنيا في سان دييغو، وهي عضو في البنية التحتية الوطنية المنسقة لتكنولوجيا النانو، والتي تدعمها المؤسسة الوطنية للعلوم (منحة ECCS-1542148).