A Kaliforniai Egyetem San Diego-i mérnökei olyan lítium-ion akkumulátorokat fejlesztettek ki, amelyek jól teljesítenek a fagyos hidegben és a perzselő melegben, miközben sok energiát adnak.A kutatók ezt a bravúrt egy olyan elektrolit kifejlesztésével érték el, amely nemcsak sokoldalú és robusztus a széles hőmérséklet-tartományban, hanem kompatibilis a nagy energiájú anóddal és katóddal is.
A hőmérséklet-ellenálló akkumulátorokA Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) július 4-én megjelent közleménye írja le.
Az ilyen akkumulátorok lehetővé tennék, hogy az elektromos járművek hideg éghajlaton egy feltöltéssel messzebbre utazzanak;csökkenthetik a hűtőrendszerek szükségességét is, hogy a járművek akkumulátorait ne melegedjék túl meleg éghajlaton – mondta Zheng Chen, a UC San Diego Jacobs School of Engineering nanomérnöki professzora és a tanulmány vezető szerzője.
„Magas hőmérsékletű működésre van szükség azokon a területeken, ahol a környezeti hőmérséklet elérheti a három számjegyet, és az utak még melegebbek lesznek.Az elektromos járművekben az akkumulátorcsomagok jellemzően a padló alatt helyezkednek el, közel ezekhez a forró utakhoz” – magyarázta Chen, aki az UC San Diego-i Fenntartható Energia és Energia Központ oktatói tagja is.„Az akkumulátorok is felmelegszenek attól, hogy működés közben áram folyik át rajta.Ha az akkumulátorok nem tűrik ezt a magas hőmérsékleten történő felmelegedést, akkor a teljesítményük gyorsan romlik.”
A tesztek során a proof-of-concept akkumulátorok energiakapacitásuk 87,5%-át, illetve 115,9%-át megtartották -40, illetve 50 C-on (-40 és 122 F).Ezen a hőmérsékleten magas, 98,2%-os, illetve 98,7%-os coulombos hatásfokuk is volt, ami azt jelenti, hogy az akkumulátorok több töltési és kisütési cikluson mennek keresztül, mielőtt leállnának.
A Chen és munkatársai által kifejlesztett akkumulátorok elektrolitjuknak köszönhetően hideg- és hőtűrőek.Dibutil-éter folyékony oldatából, lítiumsóval keverve készül.A dibutil-éter különlegessége, hogy molekulái gyengén kötődnek a lítium-ionokhoz.Más szóval, az elektrolit molekulák könnyen elengedhetik a lítium-ionokat, amikor az akkumulátor működik.Ez a gyenge molekuláris kölcsönhatás, amelyet a kutatók egy korábbi tanulmányukban fedeztek fel, javítja az akkumulátor teljesítményét nulla alatti hőmérsékleten.Ráadásul a dibutil-éter könnyen átveszi a hőt, mert magas hőmérsékleten folyékony marad (forráspontja 141 C vagy 286 F).
Stabilizáló lítium-kén kémia
Az is különleges ebben az elektrolitban, hogy kompatibilis a lítium-kén akkumulátorral, ami egy olyan típusú újratölthető akkumulátor, amelynek lítium fém anódja és kén katódja van.A lítium-kén akkumulátorok lényeges részét képezik a következő generációs akkumulátortechnológiáknak, mivel nagyobb energiasűrűséget és alacsonyabb költségeket ígérnek.Akár kétszer több energiát tudnak tárolni kilogrammonként, mint a mai lítium-ion akkumulátorok – ez megkétszerezheti az elektromos járművek hatótávolságát anélkül, hogy az akkumulátorcsomag súlya növekedne.Ezenkívül a kén nagyobb mennyiségben van jelen, és kevésbé problémás a forrása, mint a hagyományos lítium-ion akkumulátorkatódokban használt kobalt.
De vannak problémák a lítium-kén akkumulátorokkal.Mind a katód, mind az anód szuperreaktív.A kénkatódok annyira reaktívak, hogy az akkumulátor működése közben feloldódnak.Ez a probléma súlyosbodik magas hőmérsékleten.A lítium-fém anódok pedig hajlamosak arra, hogy tűszerű struktúrákat, úgynevezett dendriteket képezzenek, amelyek átszúrhatják az akkumulátor egyes részeit, és rövidzárlatot okozhatnak.Ennek eredményeként a lítium-kén akkumulátorok csak több tíz ciklust bírnak ki.
"Ha nagy energiasűrűségű akkumulátort szeretne, akkor általában nagyon kemény, bonyolult kémiát kell alkalmaznia" - mondta Chen.„A nagy energia azt jelenti, hogy több reakció megy végbe, ami kevesebb stabilitást, több lebomlást jelent.Magas energiaigényű, stabil akkumulátort készíteni nehéz feladat – ezt széles hőmérsékleti tartományon belül megkísérelni még nagyobb kihívás.”
Az UC San Diego csapata által kifejlesztett dibutil-éter elektrolit megakadályozza ezeket a problémákat még magas és alacsony hőmérsékleten is.Az általuk tesztelt akkumulátorok élettartama sokkal hosszabb volt, mint egy tipikus lítium-kén akkumulátor."Az elektrolitunk segít a katódoldal és az anódoldal javításában, miközben nagy vezetőképességet és határfelületi stabilitást biztosít" - mondta Chen.
A csapat a kén katódot is stabilabbá alakította, polimerre ojtva.Ez megakadályozza, hogy több kén oldódjon fel az elektrolitban.
A következő lépések közé tartozik az akkumulátor kémiájának növelése, még magasabb hőmérsékleten való működésre optimalizálása és a ciklus élettartamának további meghosszabbítása.
Papír: „Hőmérséklet-ellenálló lítium-kén akkumulátorok oldószerválasztási kritériumai.”A társszerzők közé tartozik Guorui Cai, John Holoubek, Mingqian Li, Hongpeng Gao, Yijie Yin, Sicen Yu, Haodong Liu, Tod A. Pascal és Ping Liu, valamennyien a UC San Diego-ban.
Ezt a munkát a NASA Űrtechnológiai Kutatási Támogatási Programja (ECF 80NSSC18K1512), a Nemzeti Tudományos Alapítvány az UC San Diego-i Anyagkutatási Tudományos és Mérnöki Központon (MRSEC, DMR-2011924) keresztül nyújtott Korai Karrier Kari ösztöndíjjal, valamint az Iroda hivatalától támogatta. Az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának járműtechnológiái az Advanced Battery Materials Research Programon keresztül (Battery500 Consortium, szerződés: DE-EE0007764).Ezt a munkát részben az UC San Diego-i San Diego Nanotechnology Infrastructure-ban (SDNI) végezték, amely tagja a National Nanotechnology Coordinated Infrastructure-nak, amelyet a National Science Foundation támogat (ECCS-1542148 támogatás).
Feladás időpontja: 2022. augusztus 10