Kalifornian yliopiston San Diegon insinöörit ovat kehittäneet litiumioniakkuja, jotka toimivat hyvin pakkasessa ja polttavan kuumissa lämpötiloissa, samalla kun ne tuovat paljon energiaa.Tutkijat saavuttivat tämän saavutuksen kehittämällä elektrolyytin, joka ei ole vain monipuolinen ja kestävä laajalla lämpötila-alueella, vaan myös yhteensopiva korkean energian anodin ja katodin kanssa.
Lämpöä kestävät akutkuvataan artikkelissa, joka julkaistiin viikolla 4. heinäkuuta Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) -julkaisussa.
Tällaiset akut voisivat mahdollistaa sähköajoneuvojen matkustamisen pidemmälle kylmissä ilmastoissa yhdellä latauksella.ne voivat myös vähentää jäähdytysjärjestelmien tarvetta estääkseen ajoneuvojen akkujen ylikuumenemisen kuumissa ilmastoissa, sanoi Zheng Chen, nanotekniikan professori UC San Diego Jacobs School of Engineeringistä ja tutkimuksen vanhempi kirjoittaja.
”Tarvitset korkean lämpötilan käyttöä alueilla, joissa ympäristön lämpötila voi olla kolminumeroinen ja tiet kuumenevat entisestään.Sähköajoneuvoissa akkupakkaukset ovat tyypillisesti lattian alla, lähellä näitä kuumia teitä", selittää Chen, joka on myös UC San Diego Sustainable Power and Energy Centerin jäsen.”Akut lämpenevät myös vain siitä, että virta kulkee läpi käytön aikana.Jos akut eivät kestä tätä lämpenemistä korkeassa lämpötilassa, niiden suorituskyky heikkenee nopeasti."
Testeissä proof-of-concept-akut säilyttivät 87,5 % ja 115,9 % energiakapasiteetistaan -40 ja 50 C:ssa (-40 ja 122 F).Niiden kulloinen hyötysuhde oli myös korkea, 98,2 % ja 98,7 % näissä lämpötiloissa, mikä tarkoittaa, että akut voivat käydä läpi enemmän lataus- ja purkausjaksoja ennen kuin ne lakkaavat toimimasta.
Chenin ja kollegoiden kehittämät akut kestävät sekä kylmää että lämpöä elektrolyytinsä ansiosta.Se on valmistettu nestemäisestä dibutyylieetterin liuoksesta, joka on sekoitettu litiumsuolaan.Dibutyylieetterin erityispiirre on, että sen molekyylit sitoutuvat heikosti litiumioneihin.Toisin sanoen elektrolyyttimolekyylit voivat helposti päästää irti litiumioneista akun käydessä.Tämä heikko molekyylivuorovaikutus, jonka tutkijat olivat havainneet aikaisemmassa tutkimuksessa, parantaa akun suorituskykyä pakkasessa.Lisäksi dibutyylieetteri kestää helposti lämpöä, koska se pysyy nesteenä korkeissa lämpötiloissa (sen kiehumispiste on 141 C tai 286 F).
Stabilisoivat litium-rikkikemiat
Tämän elektrolyytin erikoisuus on myös se, että se on yhteensopiva litium-rikkiakun kanssa, joka on eräänlainen ladattava akku, jossa on litiummetallista valmistettu anodi ja rikistä valmistettu katodi.Litium-rikkiakut ovat olennainen osa seuraavan sukupolven akkuteknologioita, koska ne lupaavat korkeampaa energiatiheyttä ja alhaisempia kustannuksia.Ne voivat varastoida jopa kaksi kertaa enemmän energiaa kiloa kohden kuin nykyiset litiumioniakut – tämä voi kaksinkertaistaa sähköajoneuvojen kantaman ilman, että akun paino kasvaa.Lisäksi rikki on runsaampaa ja vähemmän ongelmallista saada kuin perinteisissä litiumioniakkukatodeissa käytetty koboltti.
Mutta litium-rikkiakkujen kanssa on ongelmia.Sekä katodi että anodi ovat erittäin reaktiivisia.Rikkikatodit ovat niin reaktiivisia, että ne liukenevat akkukäytön aikana.Tämä ongelma pahenee korkeissa lämpötiloissa.Ja litiummetallianodit ovat alttiita muodostamaan neulamaisia rakenteita, joita kutsutaan dendriiteiksi, jotka voivat lävistää akun osia ja aiheuttaa sen oikosulun.Tämän seurauksena litium-rikkiakut kestävät vain kymmeniä jaksoja.
"Jos haluat akun, jolla on korkea energiatiheys, sinun on yleensä käytettävä erittäin ankaraa, monimutkaista kemiaa", Chen sanoi."Suuri energia tarkoittaa enemmän reaktioita, mikä tarkoittaa vähemmän vakautta, enemmän hajoamista.Korkean energian ja vakaan akun valmistaminen on sinänsä vaikea tehtävä – sen yrittäminen laajalla lämpötila-alueella on vielä haastavampaa.
UC San Diegon tiimin kehittämä dibutyylieetterielektrolyytti estää nämä ongelmat jopa korkeissa ja matalissa lämpötiloissa.Heidän testaamillaan akuilla oli paljon pidempi pyöräilyikä kuin tyypillisellä litium-rikkiakulla."Elektrolyyttimme auttaa parantamaan sekä katodi- että anodipuolta samalla kun ne tarjoavat korkean johtavuuden ja rajapinnan vakauden", Chen sanoi.
Tiimi myös suunnitteli rikkikatodin vakaammaksi oksastamalla se polymeeriin.Tämä estää enemmän rikkiä liukenemasta elektrolyyttiin.
Seuraaviin vaiheisiin kuuluu akun kemian skaalaaminen, sen optimointi toimimaan vielä korkeammissa lämpötiloissa ja syklin käyttöiän pidentäminen entisestään.
Paperi: "Lämpöä kestävien litium-rikkiakkujen liuottimen valintakriteerit."Yhteiskirjoittajia ovat Guorui Cai, John Holoubek, Mingqian Li, Hongpeng Gao, Yijie Yin, Sicen Yu, Haodong Liu, Tod A. Pascal ja Ping Liu, kaikki UC San Diegossa.
Tätä työtä tuki varhaisen uran tiedekunnan apuraha NASAn avaruusteknologian tutkimusapurahaohjelmasta (ECF 80NSSC18K1512), National Science Foundation UC San Diego Materials Research Science and Engineering Centerin kautta (MRSEC, apuraha DMR-2011924) ja toimisto Yhdysvaltain energiaministeriön Vehicle Technologies Advanced Battery Materials -tutkimusohjelman kautta (Battery500 Consortium, sopimus DE-EE0007764).Tämä työ suoritettiin osittain San Diego Nanotechnology Infrastructuressa (SDNI) UC San Diegossa, joka on National Nanotechnology Coordinated Infrastructure -verkoston jäsen, jota tukee National Science Foundation (apuraha ECCS-1542148).
Postitusaika: 10.8.2022