Os enxeñeiros da Universidade de California en San Diego desenvolveron baterías de iones de litio que funcionan ben a temperaturas frías e abraiantes, mentres que cargan moita enerxía.Os investigadores lograron esta fazaña ao desenvolver un electrólito que non só é versátil e robusto nun amplo rango de temperaturas, senón que tamén é compatible cun ánodo e cátodo de alta enerxía.
As baterías resistentes á temperaturadescríbense nun artigo publicado a semana do 4 de xullo en Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Tales baterías poderían permitir que os vehículos eléctricos en climas fríos viaxan máis lonxe cunha soa carga;tamén poderían reducir a necesidade de sistemas de refrixeración para evitar que as baterías dos vehículos se sobrequenten en climas quentes, dixo Zheng Chen, profesor de nanoenxeñaría na Facultade de Enxeñaría Jacobs da UC San Diego e autor principal do estudo.
"Necesitas un funcionamento a alta temperatura en zonas onde a temperatura ambiente pode alcanzar os tres díxitos e as estradas se quentan aínda máis.Nos vehículos eléctricos, as baterías adoitan estar debaixo do chan, preto destas estradas quentes", explicou Chen, que tamén é membro da facultade do Centro de Enerxía e Enerxía Sostible da UC San Diego."Ademais, as baterías quéntanse só ao pasar unha corrente durante o funcionamento.Se as baterías non poden tolerar este quecemento a altas temperaturas, o seu rendemento degradarase rapidamente".
Nas probas, as baterías de proba de concepto conservaron o 87,5% e o 115,9% da súa capacidade enerxética a -40 e 50 C (-40 e 122 F), respectivamente.Tamén tiñan altas eficiencias coulombianas de 98,2% e 98,7% a estas temperaturas, respectivamente, o que significa que as baterías poden sufrir máis ciclos de carga e descarga antes de que deixen de funcionar.
As baterías que Chen e os seus colegas desenvolveron son resistentes tanto ao frío como á calor grazas ao seu electrólito.Está feito dunha solución líquida de éter dibutílico mesturado cunha sal de litio.Unha característica especial do éter dibutil é que as súas moléculas únense débilmente aos ións de litio.Noutras palabras, as moléculas de electrólito poden soltar facilmente os ións de litio mentres a batería funciona.Esta interacción molecular débil, descubriran os investigadores nun estudo anterior, mellora o rendemento da batería a temperaturas baixo cero.Ademais, o éter dibutílico pode absorber facilmente a calor porque permanece líquido a altas temperaturas (ten un punto de ebulición de 141 C ou 286 F).
Químicas estabilizadoras de litio-xofre
O que tamén ten de especial este electrólito é que é compatible cunha batería de litio-xofre, que é un tipo de batería recargable que ten un ánodo de litio metálico e un cátodo de xofre.As baterías de xofre de litio son unha parte esencial das tecnoloxías de baterías de próxima xeración porque prometen maior densidade de enerxía e custos máis baixos.Poden almacenar ata dúas veces máis enerxía por quilo que as baterías de iones de litio actuais; isto podería duplicar a autonomía dos vehículos eléctricos sen aumentar o peso da batería.Ademais, o xofre é máis abundante e é menos problemático para a fonte que o cobalto usado nos cátodos tradicionais de baterías de iones de litio.
Pero hai problemas coas baterías de litio-xofre.Tanto o cátodo como o ánodo son super reactivos.Os cátodos de xofre son tan reactivos que se disolven durante o funcionamento da batería.Este problema empeora a altas temperaturas.E os ánodos de metal de litio son propensos a formar estruturas en forma de agulla chamadas dendritas que poden perforar partes da batería, o que provoca un curtocircuíto.Como resultado, as baterías de litio-xofre só duran ata decenas de ciclos.
"Se queres unha batería con alta densidade de enerxía, normalmente necesitas usar unha química moi dura e complicada", dixo Chen."A alta enerxía significa que están a producirse máis reaccións, o que significa menos estabilidade, máis degradación.Facer unha batería de alta enerxía que sexa estable é unha tarefa difícil en si; tentar facelo a través dun amplo rango de temperatura é aínda máis difícil".
O electrólito de dibutil éter desenvolvido polo equipo da UC San Diego evita estes problemas, mesmo a altas e baixas temperaturas.As baterías que probaron tiñan unha vida útil moito máis longa que unha típica batería de litio-xofre."O noso electrólito axuda a mellorar tanto o lado do cátodo como do ánodo ao tempo que proporciona unha alta condutividade e estabilidade interfacial", dixo Chen.
O equipo tamén deseñou o cátodo de xofre para que fose máis estable enxertándoo nun polímero.Isto evita que se disolva máis xofre no electrólito.
Os seguintes pasos inclúen ampliar a química da batería, optimizala para que funcione a temperaturas aínda máis altas e prolongar aínda máis a vida útil do ciclo.
Ponencia: "Criterios de selección de disolventes para baterías de litio-xofre resistentes á temperatura".Os coautores inclúen Guorui Cai, John Holoubek, Mingqian Li, Hongpeng Gao, Yijie Yin, Sicen Yu, Haodong Liu, Tod A. Pascal e Ping Liu, todos na UC San Diego.
Este traballo foi apoiado por unha subvención da Facultade de Carreira Temprana do Programa de Bolsas de Investigación en Tecnoloxía Espacial da NASA (ECF 80NSSC18K1512), a National Science Foundation a través do Centro de Enxeñaría e Ciencia de Investigación de Materiais da UC San Diego (MRSEC, subvención DMR-2011924) e a Oficina de Tecnoloxías de Vehículos do Departamento de Enerxía dos EUA a través do Programa de Investigación de Materiais de Batería Avanzada (Consorcio Battery500, contrato DE-EE0007764).Este traballo realizouse en parte na San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) da UC San Diego, membro da National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, que conta co apoio da National Science Foundation (concesión ECCS-1542148).
Hora de publicación: 10-ago-2022