Inženjeri na Kalifornijskom univerzitetu u San Dijegu razvili su litijum-jonske baterije koje dobro rade na smrzavajućim niskim i vrućim temperaturama, a istovremeno troše mnogo energije.Istraživači su to postigli razvojem elektrolita koji nije samo svestran i robustan u širokom temperaturnom rasponu, već je i kompatibilan sa visokoenergetskom anodom i katodom.
Baterije otporne na temperaturuopisani su u radu objavljenom 4. jula u Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Takve baterije bi mogle omogućiti električnim vozilima u hladnim klimama da putuju dalje s jednim punjenjem;oni bi takođe mogli da smanje potrebu za sistemima za hlađenje kako bi se akumulatori vozila sprečili pregrejavanjem u vrućim klimama, rekao je Zheng Chen, profesor nanoinženjeringa na UC San Diego Jacobs School of Engineering i viši autor studije.
„Potreban vam je rad na visokoj temperaturi u područjima gdje temperatura okoline može dostići trocifrene vrijednosti, a putevi postaju još topliji.U električnim vozilima, baterije su obično ispod poda, blizu ovih vrućih puteva,” objasnio je Chen, koji je također član fakulteta UC San Diego Sustainable Power and Energy Center.„Takođe, baterije se zagrijavaju samo od struje tokom rada.Ako baterije ne mogu tolerisati ovo zagrijavanje na visokoj temperaturi, njihove performanse će se brzo pogoršati.”
U testovima, baterije sa dokazom koncepta zadržale su 87,5% i 115,9% svog energetskog kapaciteta na -40 i 50 C (-40 i 122 F), respektivno.Takođe su imali visoku kulombičku efikasnost od 98,2% odnosno 98,7% na ovim temperaturama, što znači da baterije mogu proći više ciklusa punjenja i pražnjenja pre nego što prestanu da rade.
Baterije koje su Chen i kolege razvili su otporne na hladnoću i toplotu zahvaljujući svom elektrolitu.Napravljen je od tečnog rastvora dibutil etera pomešanog sa litijumskom soli.Posebna karakteristika dibutil etera je da se njegovi molekuli slabo vezuju za litijeve jone.Drugim riječima, molekuli elektrolita mogu lako otpustiti litijum ione dok baterija radi.Ova slaba molekularna interakcija, otkrili su istraživači u prethodnoj studiji, poboljšava performanse baterije na temperaturama ispod nule.Osim toga, dibutil etar može lako podnijeti toplinu jer ostaje tečan na visokim temperaturama (ima tačku ključanja od 141 C ili 286 F).
Stabilizirajuće litijum-sumporne hemije
Ono što je takođe posebno kod ovog elektrolita je to što je kompatibilan sa litijum-sumpornom baterijom, koja je vrsta punjive baterije koja ima anodu od metala litijuma i katodu od sumpora.Litijum-sumporne baterije su suštinski deo tehnologije baterija sledeće generacije jer obećavaju veću gustoću energije i niže troškove.Oni mogu pohraniti do dva puta više energije po kilogramu od današnjih litijum-jonskih baterija - ovo bi moglo udvostručiti domet električnih vozila bez ikakvog povećanja težine baterije.Također, sumpora je u većoj količini i manje problematično za izvor od kobalta koji se koristi u tradicionalnim katodama litijum-jonskih baterija.
Ali postoje problemi s litijum-sumpornim baterijama.I katoda i anoda su super reaktivne.Sumporne katode su toliko reaktivne da se rastvaraju tokom rada baterije.Ovaj problem se pogoršava na visokim temperaturama.A litij metalne anode su sklone formiranju igličastih struktura zvanih dendriti koji mogu probiti dijelove baterije, uzrokujući njen kratki spoj.Kao rezultat toga, litijum-sumporne baterije traju samo desetine ciklusa.
„Ako želite bateriju sa velikom gustinom energije, obično morate da koristite veoma oštru, komplikovanu hemiju“, rekao je Čen.“Visoka energija znači da se dešava više reakcija, što znači manje stabilnosti, više degradacije.Napraviti stabilnu bateriju visoke energije je sam po sebi težak zadatak – pokušaj da se to uradi kroz širok temperaturni raspon je još izazovniji.”
Elektrolit dibutil etera koji je razvio tim UC San Diego sprečava ove probleme, čak i pri visokim i niskim temperaturama.Baterije koje su testirali imale su mnogo duži vijek trajanja od tipične litijum-sumporne baterije.“Naš elektrolit pomaže poboljšanju i katodne i anodne strane, istovremeno pružajući visoku provodljivost i stabilnost međufaza,” rekao je Chen.
Tim je također konstruirao sumpornu katodu da bude stabilnija tako što je cijepio na polimer.Ovo sprečava rastvaranje veće količine sumpora u elektrolitu.
Sljedeći koraci uključuju povećanje kemijskog sastava baterije, optimizaciju za rad na još višim temperaturama i dalje produžavanje životnog ciklusa.
Rad: “Kriterijumi za odabir rastvarača za litijum-sumporne baterije otporne na temperaturu.”Koautori su Guorui Cai, John Holoubek, Mingqian Li, Hongpeng Gao, Yijie Yin, Sicen Yu, Haodong Liu, Tod A. Pascal i Ping Liu, svi na UC San Diego.
Ovaj rad je podržan grantom Fakulteta za ranu karijeru iz NASA-inog Programa grantova za istraživanje svemirske tehnologije (ECF 80NSSC18K1512), Nacionalne naučne fondacije preko UC San Diego Centra za istraživanje materijala i inženjeringa (MRSEC, grant DMR-2011924) i Ureda za Vehicle Technologies Ministarstva energetike SAD kroz Program za napredno istraživanje materijala za baterije (Battery500 Consortium, ugovor DE-EE0007764).Ovaj rad je djelimično izveden u Nanotehnološkoj infrastrukturi San Dijega (SDNI) na UC San Diego, članu Nacionalne infrastrukture koordinisane nanotehnologije, koju podržava Nacionalna naučna fondacija (grant ECCS-1542148).
Vrijeme objave: 10.08.2022