Інжынеры з Каліфарнійскага ўніверсітэта ў Сан-Дыега распрацавалі літый-іённыя акумулятары, якія добра працуюць пры марозе і пякучых тэмпературах і пры гэтым валодаюць вялікай колькасцю энергіі.Даследчыкі здзейснілі гэты подзвіг, распрацаваўшы электраліт, які не толькі ўніверсальны і трывалы ў шырокім дыяпазоне тэмператур, але і сумяшчальны з высокаэнергетычным анодам і катодам.
Тэмператураўстойлівыя акумулятарыапісаны ў артыкуле, апублікаваным на тыдні 4 ліпеня ў Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Такія акумулятары могуць дазволіць электрамабілям у халодным клімаце ехаць далей на адной зарадцы;яны таксама могуць паменшыць патрэбу ў сістэмах астуджэння, каб не дапусціць перагрэву акумулятарных батарэй аўтамабіляў у гарачым клімаце, сказаў Чжэн Чэнь, прафесар нанаінжынерыі Інжынернай школы Каліфарнійскага універсітэта ў Сан-Дыега Джэйкабса і старэйшы аўтар даследавання.
«Вам патрэбна праца пры высокай тэмпературы ў раёнах, дзе тэмпература навакольнага асяроддзя можа дасягаць трохзначных лічбаў, а на дарогах становіцца яшчэ больш.У электрамабілях акумулятарныя батарэі звычайна знаходзяцца пад падлогай, побач з гэтымі гарачымі дарогамі», — растлумачыў Чэнь, які таксама з'яўляецца выкладчыкам Цэнтра ўстойлівай энергетыкі і энергетыкі Каліфарнійскага універсітэта ў Сан-Дыега.«Акрамя таго, батарэі награваюцца толькі ад праходжання току падчас працы.Калі батарэі не вытрымліваюць гэты нагрэў пры высокай тэмпературы, іх прадукцыйнасць хутка пагоршыцца».
Падчас тэстаў акумулятары, якія пацвердзілі канцэпцыю, захавалі 87,5% і 115,9% сваёй энергаёмістасці пры -40 і 50 C (-40 і 122 F) адпаведна.Яны таксама мелі высокую кулонаўскую эфектыўнасць 98,2% і 98,7% пры гэтых тэмпературах адпаведна, што азначае, што батарэі могуць праходзіць больш цыклаў зарадкі і разрадкі, перш чым перастануць працаваць.
Батарэі, якія распрацавалі Чэнь і яго калегі, дзякуючы электраліту ўстойлівыя да холаду і цяпла.Ён зроблены з вадкага раствора дыбутылавага эфіру, змешанага з соллю літыя.Асаблівасцю дибутилового эфіру з'яўляецца тое, што яго малекулы слаба звязваюцца з іёнамі літыя.Іншымі словамі, малекулы электраліта могуць лёгка выпусціць іёны літыя падчас працы батарэі.Гэта слабое малекулярнае ўзаемадзеянне, як выявілі даследчыкі ў папярэднім даследаванні, паляпшае прадукцыйнасць батарэі пры мінусовых тэмпературах.Акрамя таго, дыбутылавы эфір можа лёгка пераняць цяпло, таму што ён застаецца вадкім пры высокіх тэмпературах (яго тэмпература кіпення складае 141 C, або 286 F).
Стабілізуючыя літый-серныя хімічныя рэчывы
Асаблівасцю гэтага электраліта таксама з'яўляецца тое, што ён сумяшчальны з літый-сернай батарэяй, якая з'яўляецца тыпам акумулятарнай батарэі, якая мае анод з металічнага літыя і катод з серы.Літый-серныя батарэі з'яўляюцца важнай часткай акумулятарных тэхналогій наступнага пакалення, таму што яны абяцаюць больш высокую шчыльнасць энергіі і меншы кошт.Яны могуць захоўваць у два разы больш энергіі на кілаграм, чым сучасныя літый-іённыя акумулятары — гэта магло б падвоіць запас ходу электрамабіляў без павелічэння вагі акумулятара.Акрамя таго, серы ў большай колькасці і яе менш праблематычна атрымаць, чым кобальту, які выкарыстоўваецца ў традыцыйных катодах літый-іённых батарэй.
А вось з літый-сернымі батарэямі ёсць праблемы.І катод, і анод вельмі рэактыўныя.Серныя катоды настолькі рэактыўныя, што раствараюцца падчас працы батарэі.Гэтая праблема пагаршаецца пры высокіх тэмпературах.А аноды з металічнага літыя схільныя ўтвараць ігольчастыя структуры, званыя дендрытамі, якія могуць прабіць часткі батарэі, выклікаючы яе кароткае замыканне.У выніку літый-серныя батарэі служаць толькі да дзясяткаў цыклаў.
«Калі вы хочаце акумулятар з высокай шчыльнасцю энергіі, вам звычайна трэба выкарыстоўваць вельмі жорсткую і складаную хімію», — сказаў Чэнь.«Высокая энергія азначае, што адбываецца больш рэакцый, што азначае меншую стабільнасць і большую дэградацыю.Стварэнне стабільнай батарэі з высокай энергіяй само па сабе з'яўляецца складанай задачай - спроба зрабіць гэта ў шырокім дыяпазоне тэмператур яшчэ больш складаная».
Электраліт дыбутылавага эфіру, распрацаваны камандай Каліфарнійскага універсітэта ў Сан-Дыега, прадухіляе гэтыя праблемы нават пры высокіх і нізкіх тэмпературах.Батарэі, якія яны пратэставалі, мелі нашмат больш працяглы тэрмін службы, чым звычайная літый-серная батарэя.«Наш электраліт дапамагае палепшыць як бок катода, так і бок анода, забяспечваючы пры гэтым высокую праводнасць і стабільнасць паверхні», — сказаў Чэнь.
Каманда таксама сканструявала серны катод, каб быць больш стабільным, прывіўшы яго да палімера.Гэта прадухіляе растварэнне большай колькасці серы ў электраліце.
Наступныя крокі ўключаюць павелічэнне хімічнага складу батарэі, яе аптымізацыю для працы пры яшчэ больш высокіх тэмпературах і далейшае падаўжэнне тэрміну службы батарэі.
Дакумент: «Крытэрыі выбару растваральніка для тэрмаўстойлівых літый-серных батарэй».Сааўтары ўключаюць Guorui Cai, Джон Holoubek, Mingqian Li, Hongpeng Gao, Yijie Yin, Sicen Yu, Haodong Liu, Tod A. Pascal і Ping Liu, усе ў UC San Diego.
Гэтая праца была падтрымана грантам факультэта ранняй кар'еры ад Праграмы грантаў NASA па касмічных тэхналогіях (ECF 80NSSC18K1512), Нацыянальнага навуковага фонду праз Навукова-інжынерны цэнтр па матэрыялах Каліфарнійскага універсітэта ў Сан-Дыега (MRSEC, грант DMR-2011924) і Упраўлення Кампанія Vehicle Technologies Міністэрства энергетыкі ЗША ў рамках праграмы Advanced Battery Materials Research Program (кансорцыум Battery500, кантракт DE-EE0007764).Гэтая праца была часткова выканана ў Нанатэхналагічнай інфраструктуры Сан-Дыега (SDNI) Каліфарнійскага універсітэта ў Сан-Дыега, члене Нацыянальнай каардынаванай інфраструктуры нанатэхналогій, якая падтрымліваецца Нацыянальным навуковым фондам (грант ECCS-1542148).
Час публікацыі: 10 жніўня 2022 г