Verkfræðingar við háskólann í Kaliforníu í San Diego hafa þróað litíumjónarafhlöður sem standa sig vel við frostköldu og steikjandi hita á sama tíma og þær pakka mikið af orku.Vísindamennirnir náðu þessu afreki með því að þróa raflausn sem er ekki aðeins fjölhæfur og öflugur á breitt hitastig, heldur einnig samhæft við háorkuskaut og bakskaut.
Hitaþolnu rafhlöðurnarer lýst í grein sem birt var vikuna 4. júlí í Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Slíkar rafhlöður gætu gert rafknúnum ökutækjum í köldu loftslagi kleift að ferðast lengra á einni hleðslu;þau gætu líka dregið úr þörfinni fyrir kælikerfi til að koma í veg fyrir að rafhlöðupakkar ökutækjanna ofhitni í heitu loftslagi, sagði Zheng Chen, prófessor í nanóverkfræði við UC San Diego Jacobs verkfræðiskólann og yfirhöfundur rannsóknarinnar.
„Þú þarft háhitarekstur á svæðum þar sem umhverfishiti getur náð þriggja stafa tölu og vegir verða enn heitari.Í rafknúnum farartækjum eru rafhlöðupakkarnir venjulega undir gólfinu, nálægt þessum heitu vegum,“ útskýrði Chen, sem er einnig deildarmeðlimur UC San Diego Sustainable Power and Energy Center.„Einnig hitna rafhlöður bara eftir að straumur rennur í gegn meðan á notkun stendur.Ef rafhlöðurnar þola ekki þessa upphitun við háan hita mun frammistaða þeirra fljótt minnka.“
Í prófunum héldu proof-of-concept rafhlöðurnar 87,5% og 115,9% af orkugetu sinni við -40 og 50 C (-40 og 122 F), í sömu röð.Þeir höfðu einnig mikla Coulombic skilvirkni upp á 98,2% og 98,7% við þetta hitastig, í sömu röð, sem þýðir að rafhlöðurnar geta gengið í gegnum fleiri hleðslu- og afhleðslulotur áður en þær hætta að virka.
Rafhlöðurnar sem Chen og félagar þróuðu þola bæði kulda og hita þökk sé raflausninni.Það er gert úr fljótandi lausn af díbútýleter blandað með litíumsalti.Sérstakur eiginleiki við díbútýleter er að sameindir hans bindast veikum litíumjónum.Með öðrum orðum geta raflausnarsameindirnar auðveldlega sleppt litíumjónum þegar rafhlaðan gengur.Þessi veika sameindavíxlverkun, sem vísindamennirnir höfðu uppgötvað í fyrri rannsókn, bætir afköst rafhlöðunnar við hitastig undir núll.Auk þess getur díbútýleter auðveldlega tekið hita vegna þess að það helst fljótandi við háan hita (hann hefur suðumark 141 C, eða 286 F).
Stöðugleiki litíum-brennisteins efnafræði
Það sem er líka sérstakt við þennan raflausn er að hann er samhæfður við litíum-brennisteinsrafhlöðu, sem er tegund af endurhlaðanlegum rafhlöðum sem er með rafskaut úr litíummálmi og bakskaut úr brennisteini.Litíum-brennisteinsrafhlöður eru ómissandi hluti af næstu kynslóð rafhlöðutækni vegna þess að þær lofa meiri orkuþéttleika og lægri kostnaði.Þær geta geymt allt að tvisvar sinnum meiri orku á hvert kílógramm en litíumjónarafhlöður í dag - þetta gæti tvöfaldað drægni rafbíla án þess að þyngd rafhlöðupakkans aukist.Einnig er brennisteinn meira og minna vandamál að fá en kóbaltið sem notað er í hefðbundnum litíumjónarafhlöðum bakskautum.
En það eru vandamál með litíum-brennisteins rafhlöður.Bæði bakskautið og rafskautið eru frábær viðbrögð.Brennisteinsbakskaut eru svo hvarfgjörn að þau leysast upp við notkun rafhlöðunnar.Þetta vandamál versnar við háan hita.Og litíum málmskaut eru hætt við að mynda nálarlíkar mannvirki sem kallast dendrites sem geta stungið í hluta rafhlöðunnar og valdið skammhlaupi.Fyrir vikið endast litíum-brennisteinsrafhlöður aðeins allt að tugum hringrása.
„Ef þú vilt rafhlöðu með háum orkuþéttleika þarftu venjulega að nota mjög sterka, flókna efnafræði,“ sagði Chen.„Mikil orka þýðir að fleiri viðbrögð eiga sér stað, sem þýðir minni stöðugleika, meira niðurbrot.Það er erfitt verkefni sjálft að búa til orkumikla rafhlöðu sem er stöðug - að reyna að gera þetta í gegnum breitt hitastig er jafnvel meira krefjandi.
Díbútýleter raflausnin sem þróað er af UC San Diego teyminu kemur í veg fyrir þessi vandamál, jafnvel við háan og lágan hita.Rafhlöðurnar sem þeir prófuðu höfðu mun lengri endingu á hjólreiðum en dæmigerð litíum-brennisteins rafhlaða.„Söltið okkar hjálpar til við að bæta bæði bakskautshliðina og rafskautshliðina á sama tíma og það veitir mikla leiðni og stöðugleika viðmóta,“ sagði Chen.
Teymið hannaði einnig brennisteinsbakskautið til að vera stöðugra með því að græða það á fjölliðu.Þetta kemur í veg fyrir að meira brennisteinn leysist upp í raflausnina.
Næstu skref fela í sér að auka efnafræði rafhlöðunnar, fínstilla hana til að virka við enn hærra hitastig og lengja endingartímann enn frekar.
Erindi: "Valviðmið leysis fyrir hitaþolnar litíum-brennisteinsrafhlöður."Meðal meðhöfunda eru Guorui Cai, John Holoubek, Mingqian Li, Hongpeng Gao, Yijie Yin, Sicen Yu, Haodong Liu, Tod A. Pascal og Ping Liu, allir við UC San Diego.
Þessi vinna var studd af styrkjum snemma starfsferilsdeildar frá geimtæknirannsóknarstyrk NASA (ECF 80NSSC18K1512), National Science Foundation í gegnum UC San Diego Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC, styrkur DMR-2011924) og skrifstofu Farartækjatækni bandaríska orkumálaráðuneytisins í gegnum Advanced Battery Materials Research Program (Battery500 Consortium, samningur DE-EE0007764).Þessi vinna var framkvæmd að hluta í San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) við UC San Diego, meðlimur í National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, sem er studd af National Science Foundation (styrkur ECCS-1542148).
Birtingartími: 10. ágúst 2022