Инженери от Калифорнийския университет в Сан Диего са разработили литиево-йонни батерии, които се представят добре при ниски студове и горещи температури, като същевременно съдържат много енергия.Изследователите постигнаха това постижение, като разработиха електролит, който е не само многофункционален и здрав в широк температурен диапазон, но и съвместим с високоенергиен анод и катод.
Температурно устойчиви батерииса описани в статия, публикувана през седмицата на 4 юли в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Такива батерии могат да позволят на електрически превозни средства в студен климат да пътуват по-далеч с едно зареждане;те биха могли също така да намалят необходимостта от охладителни системи, за да предпазят акумулаторните батерии на превозните средства от прегряване в горещ климат, каза Джън Чен, професор по наноинженерство в Инженерното училище на UC San Diego Jacobs и старши автор на изследването.
„Имате нужда от работа при висока температура в райони, където температурата на околната среда може да достигне трицифрени цифри и пътищата стават още по-горещи.В електрическите превозни средства пакетите батерии обикновено са под пода, близо до тези горещи пътища“, обясни Чен, който също е преподавател в Центъра за устойчива енергия и енергия на UC San Diego.„Освен това батериите се затоплят само от преминаването на ток по време на работа.Ако батериите не могат да понесат това загряване при висока температура, тяхната производителност бързо ще се влоши.
При тестовете батериите с доказателство за концепцията запазиха 87,5% и 115,9% от енергийния си капацитет съответно при -40 и 50 C (-40 и 122 F).Те също така имат висока кулонова ефективност от 98,2% и 98,7% съответно при тези температури, което означава, че батериите могат да претърпят повече цикли на зареждане и разреждане, преди да спрат да работят.
Батериите, които Чен и колегите му разработиха, са устойчиви както на студ, така и на топлина благодарение на техния електролит.Направен е от течен разтвор на дибутилов етер, смесен с литиева сол.Специална характеристика на дибутиловия етер е, че неговите молекули се свързват слабо с литиевите йони.С други думи, електролитните молекули могат лесно да отделят литиеви йони, докато батерията работи.Това слабо молекулярно взаимодействие, изследователите са открили в предишно проучване, подобрява работата на батерията при минусови температури.Освен това дибутил етерът може лесно да поеме топлината, защото остава течен при високи температури (има точка на кипене 141 C, или 286 F).
Стабилизиращи литиево-сярни химикали
Специалното при този електролит е, че той е съвместим с литиево-сярна батерия, която е вид акумулаторна батерия, която има анод, направен от метален литий, и катод, направен от сяра.Литиево-серните батерии са съществена част от технологиите за батерии от следващо поколение, защото обещават по-висока енергийна плътност и по-ниски разходи.Те могат да съхраняват до два пъти повече енергия на килограм от днешните литиево-йонни батерии — това може да удвои обхвата на електрическите превозни средства без никакво увеличаване на теглото на батерията.Освен това сярата е по-изобилна и по-малко проблематична за получаване от кобалта, използван в традиционните катоди на литиево-йонни батерии.
Но има проблеми с литиево-серните батерии.И катодът, и анодът са супер реактивни.Серните катоди са толкова реактивни, че се разтварят по време на работа на батерията.Този проблем се влошава при високи температури.А литиево-металните аноди са склонни да образуват игловидни структури, наречени дендрити, които могат да пробият части от батерията, причинявайки късо съединение.В резултат на това литиево-серните батерии издържат само до десетки цикъла.
„Ако искате батерия с висока енергийна плътност, обикновено трябва да използвате много сурова, сложна химия“, каза Чен.„Високата енергия означава, че се случват повече реакции, което означава по-малко стабилност, повече деградация.Създаването на високоенергийна батерия, която е стабилна, само по себе си е трудна задача – опитът да се направи това в широк температурен диапазон е още по-голямо предизвикателство.“
Електролитът дибутилов етер, разработен от екипа на UC San Diego, предотвратява тези проблеми, дори при високи и ниски температури.Батериите, които те тестваха, имаха много по-дълъг живот на цикли от типичната литиево-серна батерия.„Нашият електролит спомага за подобряване както на катодната, така и на анодната страна, като същевременно осигурява висока проводимост и стабилност на повърхността“, каза Чен.
Екипът също така проектира серния катод, за да бъде по-стабилен, като го присади към полимер.Това предотвратява разтварянето на повече сяра в електролита.
Следващите стъпки включват увеличаване на химическия състав на батерията, оптимизирането й за работа при още по-високи температури и допълнително удължаване на живота на цикъла.
Доклад: „Критерии за избор на разтворител за устойчиви на температура литиево-серни батерии.“Съавторите включват Guorui Cai, John Holoubek, Mingqian Li, Hongpeng Gao, Yijie Yin, Sicen Yu, Haodong Liu, Tod A. Pascal и Ping Liu, всички от UC San Diego.
Тази работа беше подкрепена от безвъзмездна помощ за факултет за ранна кариера от Програмата за безвъзмездни средства за изследване на космическите технологии на НАСА (ECF 80NSSC18K1512), Националната научна фондация чрез Научно-техническия център за изследване на материалите на UC San Diego (MRSEC, грант DMR-2011924) и Службата на Vehicle Technologies на Министерството на енергетиката на САЩ чрез програмата за напреднали изследвания на материалите за батерии (консорциум Battery500, договор DE-EE0007764).Тази работа е извършена отчасти в нанотехнологичната инфраструктура на Сан Диего (SDNI) в Калифорнийския университет в Сан Диего, член на Националната координирана нанотехнологична инфраструктура, която се подкрепя от Националната научна фондация (грант ECCS-1542148).
Време на публикуване: 10 август 2022 г