סוללות עמוסות אנרגיה אלו פועלות היטב בקור ובחום קיצוניים

מהנדסים מאוניברסיטת קליפורניה בסן דייגו פיתחו סוללות ליתיום-יון שמתפקדות היטב בטמפרטורות קרות וקפואות וחמות, תוך אריזת אנרגיה רבה.החוקרים השיגו את ההישג הזה על ידי פיתוח אלקטרוליט שהוא לא רק רב תכליתי וחזק לאורך טווח טמפרטורות רחב, אלא גם תואם לאנודה וקתודה באנרגיה גבוהה.
הסוללות עמידות הטמפרטורהמתוארים במאמר שפורסם בשבוע של ה-4 ביולי ב-Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
סוללות כאלה יכולות לאפשר לכלי רכב חשמליים באקלים קר לנסוע רחוק יותר בטעינה אחת;הם יכולים גם לצמצם את הצורך במערכות קירור כדי למנוע מחממות הסוללות של הרכבים להתחמם באקלים חם, אמר ג'נג צ'ן, פרופסור לננו-הנדסה בבית הספר להנדסה באוניברסיטת סן דייגו ג'ייקובס ומחבר בכיר של המחקר.
"צריך פעולה בטמפרטורה גבוהה באזורים שבהם טמפרטורת הסביבה יכולה להגיע לשלוש ספרות והכבישים מתחממים עוד יותר.בכלי רכב חשמליים, חבילות הסוללות נמצאות בדרך כלל מתחת לרצפה, קרוב לכבישים החמים הללו", הסביר צ'ן, שהוא גם חבר סגל במרכז האנרגיה והאנרגיה בת קיימא של UC San Diego."כמו כן, סוללות מתחממות רק מזרימת זרם במהלך הפעולה.אם הסוללות לא יכולות לסבול את החימום הזה בטמפרטורה גבוהה, הביצועים שלהן ידרדרו במהירות."
בבדיקות, סוללות ההוכחה של הרעיון שמרו על 87.5% ו-115.9% מקיבולת האנרגיה שלהן ב-40 ו-50 C (-40 ו-122 F), בהתאמה.היו להם גם יעילות קולומבית גבוהה של 98.2% ו-98.7% בטמפרטורות אלו, בהתאמה, מה שאומר שהסוללות יכולות לעבור יותר מחזורי טעינה ופריקה לפני שהן מפסיקות לעבוד.
הסוללות שחן ועמיתיה פיתחו הן עמידות בפני קור וחום הודות לאלקטרוליט שלהן.הוא עשוי מתמיסה נוזלית של אתר דיבוטיל מעורבב עם מלח ליתיום.תכונה מיוחדת של דיבוטיל אתר היא שהמולקולות שלו נקשרות בצורה חלשה ליוני ליתיום.במילים אחרות, מולקולות האלקטרוליט יכולות להרפות בקלות מיוני ליתיום כשהסוללה פועלת.האינטראקציה המולקולרית החלשה הזו, גילו החוקרים במחקר קודם, משפרת את ביצועי הסוללה בטמפרטורות מתחת לאפס.בנוסף, דיבוטיל אתר יכול בקלות לסבול את החום מכיוון שהוא נשאר נוזלי בטמפרטורות גבוהות (יש לו נקודת רתיחה של 141 C, או 286 F).
ייצוב כימיה של ליתיום-גופרית
מה שמיוחד באלקטרוליט הזה הוא שהוא תואם לסוללת ליתיום-גופרית, שהיא סוג של סוללה נטענת שיש לה אנודה ממתכת ליתיום וקתודה עשויה גופרית.סוללות ליתיום-גופרית הן חלק חיוני בטכנולוגיות הסוללות של הדור הבא מכיוון שהן מבטיחות צפיפות אנרגיה גבוהה יותר ועלויות נמוכות יותר.הם יכולים לאחסן עד פי שניים יותר אנרגיה לק"ג מאשר סוללות הליתיום-יון של היום - זה יכול להכפיל את טווח הרכבים החשמליים ללא עלייה במשקל של ערכת הסוללות.כמו כן, גופרית מצויה בשפע ופחות בעייתי למקור מאשר הקובלט המשמש בקתודות סוללות ליתיום-יון מסורתיות.
אבל יש בעיות עם סוללות ליתיום גופרית.גם הקתודה וגם האנודה הם סופר תגובתיים.קתודות גופרית כל כך תגובתיות עד שהן מתמוססות במהלך פעולת הסוללה.בעיה זו מחמירה בטמפרטורות גבוהות.ואנודות מתכת ליתיום נוטות ליצור מבנים דמויי מחט הנקראים דנדריטים שיכולים לנקב חלקים מהסוללה ולגרום לה לקצר.כתוצאה מכך, סוללות ליתיום גופרית מחזיקות רק עד עשרות מחזורים.
"אם אתה רוצה סוללה עם צפיפות אנרגיה גבוהה, אתה בדרך כלל צריך להשתמש בכימיה מאוד קשה ומסובכת", אמר צ'ן."אנרגיה גבוהה פירושה שיותר תגובות מתרחשות, מה שאומר פחות יציבות, יותר השפלה.יצירת סוללה בעלת אנרגיה גבוהה ויציבה היא משימה קשה בפני עצמה - הניסיון לעשות זאת בטווח טמפרטורות רחב הוא אפילו יותר מאתגר".
אלקטרוליט דיבוטיל אתר שפותח על ידי צוות UC San Diego מונע בעיות אלה, אפילו בטמפרטורות גבוהות ונמוכות.לסוללות שהם בדקו היו חיי רכיבה ארוכים בהרבה מאשר סוללת ליתיום-גופרית טיפוסית."האלקטרוליט שלנו עוזר לשפר הן את צד הקתודה והן את צד האנודה תוך מתן מוליכות גבוהה ויציבות ממשק פנים", אמר צ'ן.
הצוות גם הנדס את קתודה הגופרית להיות יציבה יותר על ידי השתלתה לפולימר.זה מונע יותר גופרית להתמוסס לתוך האלקטרוליט.
השלבים הבאים כוללים הגדלה של כימיה הסוללה, אופטימיזציה שלה לעבודה בטמפרטורות גבוהות עוד יותר והארכת חיי המחזור.
מאמר: "קריטריונים לבחירת ממס עבור סוללות ליתיום-גופרית עמידות בטמפרטורה."מחברים שותפים כוללים Guorui Cai, John Holubek, Mingqian Li, Hongpeng Gao, Yijie Yin, Sicen Yu, Haodong Liu, Tod A. Pascal ו-Ping Liu, כולם ב-UC San Diego.
עבודה זו נתמכה על ידי מענק פקולטה לקריירה מוקדמת מתכנית מענקי מחקר טכנולוגיית החלל של נאס"א (ECF 80NSSC18K1512), הקרן הלאומית למדע באמצעות מרכז מחקר המדע וההנדסה לחומרים UC San Diego (MRSEC, מענק DMR-2011924), והמשרד של טכנולוגיות רכב של משרד האנרגיה האמריקאי באמצעות תוכנית המחקר לחומרי סוללות מתקדמים (Battery500 Consortium, חוזה DE-EE0007764).עבודה זו בוצעה בחלקה ב-San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) ב-UC San Diego, חברה בתשתית הלאומית המתואמת לננוטכנולוגיה, הנתמכת על ידי הקרן הלאומית למדע (מענק ECCS-1542148).