Сан-Диегодағы Калифорния университетінің инженерлері литий-ионды аккумуляторларды жасап шығарды, олар қатты аязда және қатты ыстық температурада жақсы жұмыс істейді, сонымен бірге көп энергия жинайды.Зерттеушілер бұл жетістікке кең температура диапазонында жан-жақты және берік қана емес, сонымен қатар жоғары энергиялы анод пен катодпен үйлесімді электролит жасау арқылы қол жеткізді.
Температураға төзімді батареяларҰлттық ғылым академиясының (PNAS) еңбектерінде 4 шілдеде жарияланған мақалада сипатталған.
Мұндай аккумуляторлар суық климаттағы электр көліктеріне бір зарядпен алысырақ жүруге мүмкіндік береді;олар сондай-ақ көліктердің аккумуляторлық жинақтарын ыстық климатта қызып кетуден сақтау үшін салқындату жүйелеріне деген қажеттілікті азайта алады, деді Чжэн Чен, UC San Diego Jacobs Engineering мектебінің наноинженерия профессоры және зерттеудің аға авторы.
«Қоршаған ортаның температурасы үш санға жетуі мүмкін және жолдар одан да қызып кететін аймақтарда жоғары температурада жұмыс істеу керек.Электрлік көліктерде аккумуляторлар жинағы әдетте еденнің астында, осы ыстық жолдарға жақын орналасқан», - деп түсіндірді Чен, сонымен қатар Сан-Диегодағы тұрақты қуат және энергия орталығының оқытушысы.«Сонымен қатар, батареялар жұмыс кезінде токтың өтуінен ғана қызады.Егер батареялар жоғары температурада мұндай қыздыруға шыдай алмаса, олардың өнімділігі тез төмендейді ».
Сынақтарда дәлелді батареялар -40 және 50 C (-40 және 122 F) температурада сәйкесінше 87,5% және 115,9% қуат сыйымдылығын сақтап қалды.Олар сондай-ақ осы температураларда тиісінше 98,2% және 98,7% кулондық тиімділікке ие болды, яғни батареялар жұмысын тоқтатқанға дейін көбірек зарядтау және разряд циклдарынан өтуі мүмкін.
Чен мен әріптестері жасаған аккумуляторлар электролитінің арқасында суыққа да, ыстыққа да төзімді.Ол литий тұзымен араласқан дибутил эфирінің сұйық ерітіндісінен жасалған.Дибутил эфирінің ерекшелігі оның молекулалары литий иондарымен әлсіз байланысады.Басқаша айтқанда, батарея жұмыс істеп тұрған кезде электролит молекулалары литий иондарын оңай жібере алады.Бұл әлсіз молекулалық өзара әрекеттесу, зерттеушілер алдыңғы зерттеуде, нөлден төмен температурада батарея өнімділігін жақсартады.Сонымен қатар, дибутил эфирі жылуды оңай қабылдай алады, өйткені ол жоғары температурада сұйық күйде қалады (қайнау температурасы 141 C немесе 286 F).
Литий-күкірт химиясын тұрақтандыру
Бұл электролиттің ерекшелігі - оның литий-күкіртті аккумулятормен үйлесімділігі, ол литий металдан жасалған анод пен күкірттен жасалған катодты қайта зарядталатын батарея түрі болып табылады.Литий-күкіртті аккумуляторлар жаңа буын аккумуляторлық технологиялардың маңызды бөлігі болып табылады, өйткені олар жоғары энергия тығыздығы мен төмен шығындарды уәде етеді.Олар қазіргі литий-иондық аккумуляторларға қарағанда килограммына екі есе көп энергияны сақтай алады — бұл аккумулятор жинағының салмағын арттырмай-ақ электр көліктерінің ауқымын екі есеге арттыруға мүмкіндік береді.Сондай-ақ, күкірт дәстүрлі литий-ионды аккумуляторлық катодтарда қолданылатын кобальтқа қарағанда көбірек және көзге қиынырақ.
Бірақ литий-күкіртті батареялармен проблемалар бар.Катод та, анод та өте реактивті.Күкірт катодтарының реактивтілігі сонша, олар аккумулятор жұмысы кезінде ериді.Бұл мәселе жоғары температурада нашарлайды.Ал литий металл анодтары батареяның бөліктерін тесіп, оның қысқа тұйықталуын тудыратын дендриттер деп аталатын ине тәрізді құрылымдарды қалыптастыруға бейім.Нәтижесінде литий-күкіртті батареялар тек ондаған циклге дейін жұмыс істейді.
«Егер сіз жоғары энергия тығыздығы бар батареяны алғыңыз келсе, әдетте өте қатал, күрделі химияны қолдануыңыз керек», - деді Чен.«Жоғары энергия реакциялардың көбірек болатынын білдіреді, бұл аз тұрақтылықты, көбірек деградацияны білдіреді.Тұрақты жоғары энергиялы аккумулятор жасаудың өзі қиын тапсырма - мұны кең температура диапазоны арқылы жасауға тырысу одан да қиын ».
UC San Diego командасы әзірлеген дибутил эфир электролиті бұл мәселелердің алдын алады, тіпті жоғары және төмен температурада.Олар сынаған аккумуляторлар әдеттегі литий-күкіртті аккумуляторға қарағанда әлдеқайда ұзағырақ циклдік қызметке ие болды.«Біздің электролит катод жағын да, анод жағын да жақсартуға көмектеседі, сонымен бірге жоғары өткізгіштік пен фазааралық тұрақтылықты қамтамасыз етеді», - деді Чен.
Команда сонымен қатар күкірт катодын полимерге егу арқылы тұрақты болу үшін жобалады.Бұл күкірттің электролитке көбірек еруіне жол бермейді.
Келесі қадамдарға батареяның химиялық құрамын ұлғайту, оны одан да жоғары температурада жұмыс істеу үшін оңтайландыру және циклдің қызмет ету мерзімін одан әрі ұзарту кіреді.
Қағаз: «Температураға төзімді литий-күкіртті батареялар үшін еріткіш таңдау критерийлері».Бірлескен авторлардың қатарында Гуоруи Цай, Джон Холубек, Минцян Ли, Хонпэн Гао, Йидзи Ин, Сицэн Ю, Хаодонг Лю, Тод А. Паскаль және Пинг Лиу, барлығы Сан-Диегодағы UC.
Бұл жұмыс NASA-ның Ғарыштық технологияларды зерттеу гранттары бағдарламасының (ECF 80NSSC18K1512), Ұлттық ғылым қорының UC Сан-Диегодағы материалдарды зерттеу ғылымы және инженерлік орталығы (MRSEC, DMR-2011924 гранты) және офисі арқылы ерте мансап факультетінің грантымен қолдау тапты. Жетілдірілген батарея материалдарын зерттеу бағдарламасы (Battery500 консорциумы, DE-EE0007764 келісімшарты) арқылы АҚШ Энергетика министрлігінің көліктік технологиялары.Бұл жұмыс ішінара Ұлттық ғылым қоры (ECCS-1542148 гранты) қолдайтын Ұлттық нанотехнологиялық үйлестірілген инфрақұрылымның мүшесі, Сан-Диего университетіндегі Сан-Диего нанотехнологиялық инфрақұрылымында (SDNI) орындалды.
Жіберу уақыты: 10 тамыз 2022 ж