Ingeniører ved University of California San Diego har udviklet lithium-ion-batterier, der klarer sig godt ved isende kolde og brændende varme temperaturer, samtidig med at de pakker en masse energi.Forskerne opnåede denne bedrift ved at udvikle en elektrolyt, der ikke kun er alsidig og robust over et bredt temperaturområde, men også kompatibel med en højenergianode og katode.
De temperaturbestandige batterierer beskrevet i et papir offentliggjort i ugen den 4. juli i Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Sådanne batterier kunne tillade elektriske køretøjer i kolde klimaer at rejse længere på en enkelt opladning;de kunne også reducere behovet for kølesystemer for at forhindre, at køretøjernes batteripakker overophedes i varme klimaer, sagde Zheng Chen, professor i nanoteknik ved UC San Diego Jacobs School of Engineering og seniorforfatter til undersøgelsen.
"Du har brug for højtemperaturdrift i områder, hvor omgivelsestemperaturen kan nå de trecifrede cifre, og vejene bliver endnu varmere.I elektriske køretøjer er batteripakkerne typisk under gulvet, tæt på disse varme veje,” forklarede Chen, som også er fakultetsmedlem i UC San Diego Sustainable Power and Energy Center."Også opvarmes batterier bare fra at have en strøm igennem under drift.Hvis batterierne ikke kan tåle denne opvarmning ved høj temperatur, vil deres ydeevne hurtigt forringes."
I test beholdt proof-of-concept-batterierne 87,5 % og 115,9 % af deres energikapacitet ved henholdsvis -40 og 50 C (-40 og 122 F).De havde også høje Coulombic-effektiviteter på henholdsvis 98,2 % og 98,7 % ved disse temperaturer, hvilket betyder, at batterierne kan gennemgå flere op- og afladningscyklusser, før de holder op med at virke.
De batterier, som Chen og kollegerne udviklede, er både kulde- og varmetolerante takket være deres elektrolyt.Den er lavet af en flydende opløsning af dibutylether blandet med et lithiumsalt.En særlig egenskab ved dibutylether er, at dens molekyler binder svagt til lithiumioner.Med andre ord kan elektrolytmolekylerne nemt give slip på lithium-ioner, mens batteriet kører.Denne svage molekylære interaktion, forskerne havde opdaget i en tidligere undersøgelse, forbedrer batteriets ydeevne ved minusgrader.Plus, dibutylether kan nemt tage varmen, fordi den forbliver flydende ved høje temperaturer (den har et kogepunkt på 141 C eller 286 F).
Stabiliserende lithium-svovlkemi
Det specielle ved denne elektrolyt er, at den er kompatibel med et lithium-svovl-batteri, som er en type genopladeligt batteri, der har en anode lavet af lithiummetal og en katode lavet af svovl.Lithium-svovl-batterier er en væsentlig del af næste generations batteriteknologier, fordi de lover højere energitætheder og lavere omkostninger.De kan lagre op til to gange mere energi pr. kilogram end nutidens lithium-ion-batterier - dette kan fordoble rækkevidden af elektriske køretøjer uden nogen stigning i vægten af batteripakken.Svovl er også mere rigeligt og mindre problematisk at kilde end den kobolt, der bruges i traditionelle lithium-ion-batterikatoder.
Men der er problemer med lithium-svovl-batterier.Både katoden og anoden er superreaktive.Svovlkatoder er så reaktive, at de opløses under batteridrift.Dette problem bliver værre ved høje temperaturer.Og lithiummetalanoder er tilbøjelige til at danne nålelignende strukturer kaldet dendritter, der kan gennembore dele af batteriet og få det til at kortslutte.Som et resultat holder lithium-svovlbatterier kun op til snesevis af cyklusser.
"Hvis du vil have et batteri med høj energitæthed, skal du typisk bruge meget barsk, kompliceret kemi," sagde Chen."Høj energi betyder, at der sker flere reaktioner, hvilket betyder mindre stabilitet, mere nedbrydning.At lave et højenergibatteri, der er stabilt, er en vanskelig opgave i sig selv - at prøve at gøre dette gennem et bredt temperaturområde er endnu mere udfordrende."
Dibutyletherelektrolyt udviklet af UC San Diego-teamet forhindrer disse problemer, selv ved høje og lave temperaturer.Batterierne, de testede, havde meget længere levetid end et typisk lithium-svovlbatteri."Vores elektrolyt hjælper med at forbedre både katodesiden og anodesiden, mens den giver høj ledningsevne og grænsefladestabilitet," sagde Chen.
Holdet konstruerede også svovlkatoden til at være mere stabil ved at pode den til en polymer.Dette forhindrer mere svovl i at opløses i elektrolytten.
Næste trin omfatter opskalering af batterikemien, optimering af det til at fungere ved endnu højere temperaturer og yderligere forlængelse af levetiden.
Papir: "Udvælgelseskriterier for opløsningsmidler for temperaturbestandige lithium-svovlbatterier."Medforfattere inkluderer Guorui Cai, John Holoubek, Mingqian Li, Hongpeng Gao, Yijie Yin, Sicen Yu, Haodong Liu, Tod A. Pascal og Ping Liu, alle ved UC San Diego.
Dette arbejde blev støttet af et Early Career Faculty-stipendium fra NASA's Space Technology Research Grants Program (ECF 80NSSC18K1512), National Science Foundation gennem UC San Diego Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC, tilskud DMR-2011924) og Office of Køretøjsteknologier fra det amerikanske energiministerium gennem Advanced Battery Materials Research Program (Battery500 Consortium, kontrakt DE-EE0007764).Dette arbejde blev delvist udført på San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) ved UC San Diego, et medlem af National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, som er støttet af National Science Foundation (tilskud ECCS-1542148).
Indlægstid: Aug-10-2022