Inženjeri sa kalifornijskog sveučilišta San Diego razvili su litij-ionske baterije koje dobro funkcioniraju na nisko hladnim i užasno visokim temperaturama, a istovremeno sadrže puno energije.Istraživači su to postigli razvijanjem elektrolita koji nije samo svestran i robustan u širokom temperaturnom rasponu, već je također kompatibilan s visokoenergetskom anodom i katodom.
Baterije otporne na temperaturuopisani su u radu objavljenom u tjednu od 4. srpnja u Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Takve baterije mogle bi omogućiti električnim vozilima u hladnim klimama da putuju dalje s jednim punjenjem;također bi mogli smanjiti potrebu za rashladnim sustavima koji bi spriječili pregrijavanje baterija vozila u vrućim klimatskim uvjetima, rekao je Zheng Chen, profesor nanoinženjeringa na UC San Diego Jacobs School of Engineering i stariji autor studije.
“Potreban vam je rad na visokoj temperaturi u područjima gdje temperatura okoline može doseći troznamenkastu vrijednost, a ceste postaju još toplije.U električnim vozilima, paketi baterija su obično ispod poda, blizu ovih vrućih cesta,” objasnio je Chen, koji je također član fakulteta Centra za održivu energiju i energiju UC San Diego.“Također, baterije se zagrijavaju samo zbog struje koja prolazi tijekom rada.Ako baterije ne mogu podnijeti ovo zagrijavanje na visokoj temperaturi, njihove će performanse brzo opasti.”
U testovima, baterije s dokazom koncepta zadržale su 87,5% i 115,9% svog energetskog kapaciteta na -40 odnosno 50 C (-40 i 122 F).Također su imale visoku kulonovsku učinkovitost od 98,2% odnosno 98,7% na tim temperaturama, što znači da baterije mogu proći više ciklusa punjenja i pražnjenja prije nego prestanu raditi.
Baterije koje su Chen i njegovi kolege razvili otporne su na hladnoću i toplinu zahvaljujući svom elektrolitu.Napravljen je od tekuće otopine dibutil etera pomiješanog s litijevom soli.Posebnost dibutil etera je da se njegove molekule slabo vežu na litijeve ione.Drugim riječima, molekule elektrolita mogu lako otpustiti litijeve ione dok baterija radi.Ova slaba molekularna interakcija, otkrili su istraživači u prethodnoj studiji, poboljšava učinkovitost baterije na temperaturama ispod ništice.Osim toga, dibutil eter može lako preuzeti toplinu jer ostaje tekući na visokim temperaturama (ima vrelište od 141 C, ili 286 F).
Stabilizacijski kemijski spojevi litij-sumpor
Ono što je također posebno kod ovog elektrolita je to što je kompatibilan s litij-sumpornom baterijom, koja je vrsta punjive baterije koja ima anodu od metalnog litija i katodu od sumpora.Litij-sumporne baterije bitan su dio tehnologije baterija sljedeće generacije jer obećavaju veću gustoću energije i niže troškove.Mogu pohraniti do dva puta više energije po kilogramu od današnjih litij-ionskih baterija — to bi moglo udvostručiti domet električnih vozila bez povećanja težine baterije.Također, sumpora ima više i manje ga je problematično nabaviti od kobalta koji se koristi u tradicionalnim katodama litij-ionskih baterija.
Ali postoje problemi s litij-sumpornim baterijama.I katoda i anoda su super reaktivne.Sumporne katode su toliko reaktivne da se otapaju tijekom rada baterije.Ovaj problem se pogoršava na visokim temperaturama.I litijeve metalne anode sklone su stvaranju igličastih struktura zvanih dendriti koji mogu probiti dijelove baterije, uzrokujući njezin kratki spoj.Kao rezultat toga, litij-sumporne baterije traju samo do nekoliko desetaka ciklusa.
"Ako želite bateriju visoke gustoće energije, obično morate koristiti vrlo oštru, kompliciranu kemiju", rekao je Chen.“Visoka energija znači da se događa više reakcija, što znači manje stabilnosti, više degradacije.Izrada visokoenergetske baterije koja je stabilna sama je po sebi težak zadatak - pokušati to učiniti kroz širok temperaturni raspon još je izazovnije."
Dibutil eter elektrolit koji je razvio tim UC San Diego sprječava te probleme, čak i pri visokim i niskim temperaturama.Baterije koje su testirali imale su mnogo dulji radni vijek od tipične litij-sumporne baterije."Naš elektrolit pomaže u poboljšanju i katodne i anodne strane, dok istovremeno pruža visoku vodljivost i stabilnost međupovršine", rekao je Chen.
Tim je također konstruirao sumpornu katodu da bude stabilnija cijepljenjem na polimer.To sprječava da se više sumpora otopi u elektrolitu.
Sljedeći koraci uključuju povećanje kemije baterije, njezino optimiziranje za rad na još višim temperaturama i daljnje produljenje životnog ciklusa.
Rad: “Kriteriji odabira otapala za temperaturno otporne litij-sumporne baterije.”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 je rad poduprla potpora Fakulteta za ranu karijeru iz NASA-inog Programa potpora za istraživanje svemirske tehnologije (ECF 80NSSC18K1512), Nacionalne zaklade za znanost putem Centra za znanost i inženjerstvo materijala UC San Diego (MRSEC, potpora DMR-2011924) i Ureda za Vehicle Technologies Ministarstva energetike SAD-a kroz Advanced Battery Materials Research Program (Consortium Battery500, ugovor DE-EE0007764).Ovaj je rad djelomično obavljen u San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) pri UC San Diego, članu Nacionalne nanotehnološke koordinirane infrastrukture, koju podržava Nacionalna zaklada za znanost (grant ECCS-1542148).
Vrijeme objave: 10. kolovoza 2022