این باتری های پر انرژی در سرما و گرمای شدید به خوبی کار می کنند

مهندسان دانشگاه کالیفرنیا سن دیگو باتری‌های لیتیوم یونی ساخته‌اند که در سرمای سرد و گرمای سوزان عملکرد خوبی دارند و در عین حال انرژی زیادی را در خود جای می‌دهند.محققان این موفقیت را با توسعه الکترولیتی انجام دادند که نه تنها همه کاره و قوی در طیف وسیعی از دما است، بلکه با آند و کاتد انرژی بالا نیز سازگار است.
باتری های مقاوم در برابر دمادر مقاله ای که در هفته 4 ژوئیه در مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم (PNAS) منتشر شد، توضیح داده شده است.
چنین باتری هایی می توانند به وسایل نقلیه الکتریکی در آب و هوای سرد اجازه دهند تا با یک بار شارژ بیشتر مسافت بیشتری را طی کنند.ژنگ چن، پروفسور مهندسی نانو در دانشکده مهندسی UC San Diego Jacobs و نویسنده ارشد این مطالعه گفت: آنها همچنین می توانند نیاز به سیستم های خنک کننده را کاهش دهند تا بسته های باتری وسایل نقلیه را از داغ شدن بیش از حد در آب و هوای گرم حفظ کنند.
"شما در مناطقی که دمای محیط می تواند به سه رقم برسد و جاده ها حتی داغ تر می شوند، به عملیات دمای بالا نیاز دارید.چن، که همچنین یکی از اعضای هیئت علمی مرکز انرژی و انرژی پایدار UC San Diego است، توضیح داد: در خودروهای الکتریکی، بسته‌های باتری معمولاً در زیر زمین، نزدیک به این جاده‌های داغ قرار دارند.“همچنین، باتری ها فقط در اثر عبور جریان در حین کار گرم می شوند.اگر باتری ها نتوانند این گرم شدن را در دمای بالا تحمل کنند، عملکرد آنها به سرعت کاهش می یابد.
در آزمایش‌ها، باتری‌های اثبات مفهوم 87.5 درصد و 115.9 درصد ظرفیت انرژی خود را به ترتیب در دمای 40- و 50 درجه سانتی گراد (40- و 122 فارنهایت) حفظ کردند.آنها همچنین دارای راندمان کولمبیکی بالایی به ترتیب 98.2% و 98.7% در این دماها بودند که به این معنی است که باتری ها می توانند قبل از توقف کار، چرخه های شارژ و دشارژ بیشتری را پشت سر بگذارند.
باتری هایی که چن و همکارانش توسعه دادند به لطف الکترولیت خود، هم سرما و هم گرما را تحمل می کنند.از محلول مایع دی بوتیل اتر مخلوط با نمک لیتیوم ساخته شده است.یک ویژگی خاص در مورد دی بوتیل اتر این است که مولکول های آن ضعیف به یون های لیتیوم متصل می شوند.به عبارت دیگر، مولکول های الکترولیت می توانند به راحتی یون های لیتیوم را در حین کار باتری رها کنند.این برهمکنش مولکولی ضعیف، که محققان در مطالعه قبلی کشف کرده بودند، عملکرد باتری را در دماهای زیر صفر بهبود می بخشد.به علاوه، دی بوتیل اتر به راحتی می تواند گرما را بگیرد زیرا در دماهای بالا مایع می ماند (نقطه جوش 141 درجه سانتی گراد یا 286 فارنهایت).
تثبیت مواد شیمیایی لیتیوم-گوگرد
همچنین ویژگی خاص این الکترولیت سازگاری آن با باتری لیتیوم سولفور است که نوعی باتری قابل شارژ است که دارای آند ساخته شده از فلز لیتیوم و کاتد ساخته شده از گوگرد است.باتری‌های لیتیوم-گوگرد بخش مهمی از فناوری‌های باتری نسل بعدی هستند زیرا نوید چگالی انرژی بالاتر و هزینه کمتر را می‌دهند.آنها می توانند تا دو برابر بیشتر از باتری های لیتیوم یونی امروزی در هر کیلوگرم انرژی ذخیره کنند - این می تواند بدون افزایش وزن بسته باتری، برد خودروهای الکتریکی را دو برابر کند.همچنین، سولفور نسبت به کبالت مورد استفاده در کاتدهای باتری لیتیوم یون سنتی، فراوان‌تر و مشکل‌سازتر است.
اما در باتری های لیتیوم گوگردی مشکلاتی وجود دارد.هر دو کاتد و آند فوق واکنش پذیر هستند.کاتدهای گوگرد آنقدر واکنش پذیر هستند که در حین کار با باتری حل می شوند.این موضوع در دمای بالا بدتر می شود.و آندهای فلزی لیتیوم مستعد تشکیل ساختارهای سوزنی مانند به نام دندریت هستند که می توانند قسمت هایی از باتری را سوراخ کرده و باعث اتصال کوتاه آن شوند.در نتیجه باتری های لیتیوم گوگردی تنها تا ده ها چرخه دوام می آورند.
چن گفت: «اگر باتری با چگالی انرژی بالا می‌خواهید، معمولاً باید از شیمی بسیار سخت و پیچیده استفاده کنید."انرژی بالا به معنای واکنش های بیشتر است که به معنای ثبات کمتر، تخریب بیشتر است.ساخت باتری پرانرژی که پایدار باشد به خودی خود کار دشواری است – تلاش برای انجام این کار در محدوده دمایی گسترده‌تر چالش‌برانگیزتر است.
الکترولیت دی بوتیل اتر که توسط تیم UC San Diego ساخته شده است، حتی در دماهای بالا و پایین از این مشکلات جلوگیری می کند.باتری هایی که آنها آزمایش کردند عمر دوچرخه سواری بسیار بیشتری نسبت به باتری های لیتیوم-گوگرد معمولی داشتند.چن گفت: "الکترولیت ما به بهبود سمت کاتد و سمت آند کمک می کند و در عین حال رسانایی بالا و پایداری سطحی را فراهم می کند."
این تیم همچنین کاتد گوگرد را طوری مهندسی کردند که با پیوند زدن آن به پلیمر، پایدارتر باشد.این از حل شدن بیشتر گوگرد در الکترولیت جلوگیری می کند.
مراحل بعدی شامل افزایش مقیاس شیمیایی باتری، بهینه سازی آن برای کار در دماهای بالاتر و افزایش بیشتر عمر چرخه است.
مقاله: "معیارهای انتخاب حلال برای باتری های لیتیوم سولفور مقاوم در برابر دما."نویسندگان مشترک عبارتند از Guorui Cai، John Holoubek، Mingqian Li، Hongpeng Gao، Yijie Yin، Sicen Yu، Haodong Liu، Tod A. Pascal و Ping Liu، همه در UC San Diego.
این کار توسط کمک هزینه اولیه دانشکده از برنامه کمک هزینه تحقیقات فناوری فضایی ناسا (ECF 80NSSC18K1512)، بنیاد ملی علوم از طریق مرکز علوم و مهندسی مواد تحقیقاتی UC San Diego (MRSEC، اعطای DMR-2011924) و دفتر فناوری‌های خودرو وزارت انرژی ایالات متحده از طریق برنامه تحقیقاتی مواد پیشرفته باتری (کنسرسیوم Battery500، قرارداد DE-EE0007764).این کار تا حدی در زیرساخت‌های نانوتکنولوژی سن دیگو (SDNI) در UC سن دیگو، یکی از اعضای زیرساخت هماهنگ‌شده فناوری نانو، که توسط بنیاد ملی علوم پشتیبانی می‌شود، انجام شد (Grant ECCS-1542148).