ეს ენერგიით სავსე ბატარეები კარგად მუშაობს ექსტრემალურ სიცივესა და სიცხეში

სან დიეგოს კალიფორნიის უნივერსიტეტის ინჟინრებმა შეიმუშავეს ლითიუმ-იონური ბატარეები, რომლებიც კარგად მოქმედებენ ცივ და მცხუნვარე ცხელ ტემპერატურაზე და ამავდროულად აგროვებენ დიდ ენერგიას.მკვლევარებმა მიაღწიეს ამ წარმატებას ელექტროლიტის შემუშავებით, რომელიც არა მხოლოდ მრავალმხრივი და გამძლეა ტემპერატურის ფართო დიაპაზონში, არამედ თავსებადია მაღალი ენერგიის ანოდთან და კათოდთან.
ტემპერატურისადმი მდგრადი ბატარეებიაღწერილია ნაშრომში, რომელიც გამოქვეყნდა 4 ივლისის კვირას Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
ასეთ ბატარეებს შეუძლიათ ცივ კლიმატში მყოფ ელექტრომობილებს ერთი დამუხტვით უფრო შორს გადაადგილების საშუალება მისცენ;მათ ასევე შეუძლიათ შეამცირონ გაგრილების სისტემების საჭიროება, რათა მანქანების ბატარეების პაკეტები არ გადახურდეს ცხელ კლიმატში, თქვა ჟენგ ჩენმა, ნანოინჟინერიის პროფესორმა UC San Diego Jacobs-ის საინჟინრო სკოლაში და კვლევის უფროსი ავტორი.
„თქვენ გჭირდებათ მაღალ ტემპერატურაზე მუშაობა იმ ადგილებში, სადაც გარემოს ტემპერატურა შეიძლება მიაღწიოს სამნიშნა ციფრს და გზები კიდევ უფრო ცხელდება.ელექტრო სატრანსპორტო საშუალებებში ბატარეები, როგორც წესი, იატაკის ქვეშ არის, ამ ცხელ გზებთან ახლოს,” განმარტა ჩენმა, რომელიც ასევე არის UC San Diego Sustainable Power and Energy Center-ის ფაკულტეტის წევრი.„ასევე, ბატარეები თბება მხოლოდ მუშაობის დროს დენის გადინების შემდეგ.თუ ბატარეები ვერ იტანენ ამ დათბობას მაღალ ტემპერატურაზე, მათი მოქმედება სწრაფად დაქვეითდება.
ტესტებში, იდეალურმა ბატარეებმა შეინარჩუნეს ენერგიის ტევადობის 87.5% და 115.9% -40 და 50 C ტემპერატურაზე (-40 და 122 F), შესაბამისად.მათ ასევე ჰქონდათ მაღალი კულუმბიური ეფექტურობა 98.2% და 98.7% ამ ტემპერატურაზე, შესაბამისად, რაც იმას ნიშნავს, რომ ბატარეებს შეუძლიათ გაიარონ მეტი დამუხტვისა და განმუხტვის ციკლები, სანამ შეწყვეტენ მუშაობას.
ბატარეები, რომლებიც ჩენმა და კოლეგებმა შეიმუშავეს, გამძლეა როგორც სიცივის, ასევე სითბოს ელექტროლიტის წყალობით.იგი მზადდება დიბუტილ ეთერის თხევადი ხსნარისგან, რომელიც შერეულია ლითიუმის მარილთან.დიბუტილ ეთერის განსაკუთრებული თვისება ის არის, რომ მისი მოლეკულები სუსტად უკავშირდებიან ლითიუმის იონებს.სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, ელექტროლიტის მოლეკულებს შეუძლიათ ადვილად გაუშვან ლითიუმის იონები ბატარეის მუშაობისას.ეს სუსტი მოლეკულური ურთიერთქმედება, მკვლევარებმა აღმოაჩინეს წინა კვლევაში, აუმჯობესებს ბატარეის მუშაობას ნულამდე ტემპერატურაზე.გარდა ამისა, დიბუტილ ეთერს შეუძლია ადვილად მიიღოს სითბო, რადგან ის რჩება თხევადი მაღალ ტემპერატურაზე (მას აქვს დუღილის წერტილი 141 C, ან 286 F).
ლითიუმ-გოგირდის ქიმიის სტაბილიზაცია
რაც ასევე განსაკუთრებულია ამ ელექტროლიტის შესახებ არის ის, რომ ის თავსებადია ლითიუმ-გოგირდის ბატარეასთან, რომელიც არის დატენვის ბატარეის ტიპი, რომელსაც აქვს ანოდი დამზადებული ლითიუმის ლითონისგან და კათოდი დამზადებული გოგირდისგან.ლითიუმ-გოგირდის ბატარეები არის შემდეგი თაობის ბატარეის ტექნოლოგიების მნიშვნელოვანი ნაწილი, რადგან ისინი გვპირდებიან ენერგიის მაღალ სიმკვრივესა და დაბალ ხარჯებს.მათ შეუძლიათ შეინახონ ორჯერ მეტი ენერგია თითო კილოგრამზე, ვიდრე დღევანდელი ლითიუმ-იონური ბატარეები - ამან შეიძლება გააორმაგოს ელექტრო მანქანების დიაპაზონი ბატარეის პაკეტის წონის გაზრდის გარეშე.ასევე, გოგირდი უფრო უხვი და ნაკლებად პრობლემურია, ვიდრე კობალტი, რომელიც გამოიყენება ტრადიციული ლითიუმ-იონური ბატარეის კათოდებში.
მაგრამ პრობლემებია ლითიუმ-გოგირდის ბატარეებთან დაკავშირებით.ორივე კათოდი და ანოდი სუპერ რეაქტიულია.გოგირდის კათოდები იმდენად რეაქტიულია, რომ ბატარეის მუშაობის დროს იშლება.ეს პრობლემა უარესდება მაღალ ტემპერატურაზე.და ლითიუმის ლითონის ანოდები მიდრეკილია ჩამოაყალიბონ ნემსისმაგვარი სტრუქტურები, სახელწოდებით დენდრიტები, რომლებსაც შეუძლიათ ბატარეის ნაწილების გახვრეტა, რაც იწვევს მის მოკლე ჩართვას.შედეგად, ლითიუმ-გოგირდის ბატარეები მხოლოდ ათეულ ციკლს ძლებს.
”თუ გსურთ ბატარეა მაღალი ენერგიის სიმკვრივით, თქვენ ჩვეულებრივ უნდა გამოიყენოთ ძალიან მკაცრი, რთული ქიმია”, - თქვა ჩენმა.”მაღალი ენერგია ნიშნავს, რომ მეტი რეაქცია ხდება, რაც ნიშნავს ნაკლებ სტაბილურობას, მეტ დეგრადაციას.მაღალი ენერგიის ბატარეის დამზადება, რომელიც სტაბილურია, თავად რთული ამოცანაა - ამის მცდელობა ტემპერატურის ფართო დიაპაზონში კიდევ უფრო რთულია.
UC San Diego-ს გუნდის მიერ შემუშავებული დიბუტილ ეთერის ელექტროლიტი ხელს უშლის ამ პრობლემებს, თუნდაც მაღალ და დაბალ ტემპერატურაზე.მათ მიერ ტესტირებულ ბატარეებს ველოსიპედის სიცოცხლე ბევრად უფრო გრძელი ჰქონდათ, ვიდრე ტიპიური ლითიუმ-გოგირდის ბატარეა.„ჩვენი ელექტროლიტი ხელს უწყობს როგორც კათოდური მხარის, ასევე ანოდის გვერდის გაუმჯობესებას, ხოლო უზრუნველყოფს მაღალი გამტარობისა და ინტერფეისის სტაბილურობას“, - თქვა ჩენმა.
გუნდმა ასევე დააპროექტა გოგირდის კათოდი, რათა უფრო სტაბილური ყოფილიყო მისი პოლიმერზე გადანერგვით.ეს ხელს უშლის მეტი გოგირდის ელექტროლიტში დაშლას.
შემდეგი ნაბიჯები მოიცავს ბატარეის ქიმიის გაზრდას, ოპტიმიზაციას უფრო მაღალ ტემპერატურაზე მუშაობისთვის და ციკლის სიცოცხლის შემდგომ გახანგრძლივებას.
ქაღალდი: "გამხსნელის შერჩევის კრიტერიუმები ტემპერატურისადმი მდგრადი ლითიუმ-გოგირდის ბატარეებისთვის."თანაავტორები არიან Guorui Cai, John Holoubek, Mingqian Li, Hongpeng Gao, Yijie Yin, Sicen Yu, Haodong Liu, Tod A. Pascal და Ping Liu, ყველა UC San Diego-ში.
ეს ნაშრომი მხარდაჭერილი იყო ადრეული კარიერის ფაკულტეტის გრანტით NASA-ს კოსმოსური ტექნოლოგიების კვლევის საგრანტო პროგრამისგან (ECF 80NSSC18K1512), ეროვნული სამეცნიერო ფონდის UC San Diego Materials Research Science and Engineering ცენტრის მეშვეობით (MRSEC, გრანტი DMR-2011924) და ოფისი. აშშ-ს ენერგეტიკის დეპარტამენტის ავტომობილების ტექნოლოგიები ბატარეის მასალების მოწინავე კვლევის პროგრამის მეშვეობით (Battery500 Consortium, კონტრაქტი DE-EE0007764).ეს სამუშაო ნაწილობრივ შესრულდა სან დიეგოს ნანოტექნოლოგიურ ინფრასტრუქტურაში (SDNI) UC San Diego-ში, ეროვნული ნანოტექნოლოგიის კოორდინირებული ინფრასტრუქტურის წევრი, რომელსაც მხარს უჭერს ეროვნული სამეცნიერო ფონდი (გრანტი ECCS-1542148).