Kalifornijos universiteto San Diego inžinieriai sukūrė ličio jonų baterijas, kurios puikiai veikia šaldant šaltą ir karštą temperatūrą, kartu sukaupdamos daug energijos.Tyrėjai padarė šį žygdarbį sukūrę elektrolitą, kuris yra ne tik universalus ir tvirtas visame plačiame temperatūrų diapazone, bet ir suderinamas su didelės energijos anodu ir katodu.
Temperatūrai atsparios baterijosyra aprašyti straipsnyje, paskelbtame liepos 4 d. Nacionalinės mokslų akademijos darbuose (PNAS).
Tokie akumuliatoriai leistų elektrinėms transporto priemonėms šalto klimato sąlygomis vienu įkrovimu nuvažiuoti toliau;Jie taip pat galėtų sumažinti aušinimo sistemų poreikį, kad transporto priemonių akumuliatorių paketai neperkaistų karštame klimate, sakė Zheng Chen, UC San Diego Jacobs inžinerijos mokyklos nanoinžinerijos profesorius ir vyresnysis tyrimo autorius.
„Reikia dirbti aukštoje temperatūroje ten, kur aplinkos temperatūra gali siekti triženklius skaitmenis, o keliai dar labiau įkaista.Elektrinėse transporto priemonėse akumuliatorių blokai paprastai yra po grindimis, netoli šių karštų kelių“, – aiškino Chenas, kuris taip pat yra UC San Diego tvarios energijos ir energijos centro dėstytojas.„Be to, akumuliatoriai įšyla vien dėl to, kad veikimo metu teka srovė.Jei baterijos negali toleruoti tokio įšilimo esant aukštai temperatūrai, jų veikimas greitai pablogės.
Atliekant bandymus koncepcinės baterijos išlaikė atitinkamai 87,5% ir 115,9% energijos talpos esant -40 ir 50 C (-40 ir 122 F) temperatūrai.Jie taip pat turėjo aukštą kuloninį efektyvumą atitinkamai 98,2% ir 98,7% esant tokioms temperatūroms, o tai reiškia, kad baterijos gali atlikti daugiau įkrovimo ir iškrovimo ciklų, kol nustoja veikti.
Cheno ir jo kolegų sukurtos baterijos dėl savo elektrolito yra atsparios šalčiui ir karščiui.Jis pagamintas iš skysto dibutilo eterio tirpalo, sumaišyto su ličio druska.Ypatinga dibutilo eterio savybė yra ta, kad jo molekulės silpnai jungiasi su ličio jonais.Kitaip tariant, elektrolito molekulės gali lengvai išleisti ličio jonus, kai baterija veikia.Ši silpna molekulinė sąveika, kurią mokslininkai atrado ankstesniame tyrime, pagerina baterijos veikimą esant minusinei temperatūrai.Be to, dibutilo eteris gali lengvai atlaikyti šilumą, nes išlieka skystas esant aukštai temperatūrai (jo virimo temperatūra yra 141 C arba 286 F).
Stabilizuojanti ličio ir sieros chemiją
Šis elektrolitas taip pat ypatingas tuo, kad jis suderinamas su ličio-sieros baterija, kuri yra įkraunama baterija, kurios anodas pagamintas iš ličio metalo ir katodas iš sieros.Ličio ir sieros akumuliatoriai yra esminė naujos kartos baterijų technologijų dalis, nes žada didesnį energijos tankį ir mažesnes sąnaudas.Jie gali sukaupti iki dviejų kartų daugiau energijos vienam kilogramui nei šiandieniniai ličio jonų akumuliatoriai – tai gali padvigubinti elektromobilių diapazoną, nepadidinant akumuliatoriaus svorio.Be to, sieros yra gausesnės ir mažiau problematiškos nei tradiciniuose ličio jonų baterijų katoduose naudojamas kobaltas.
Tačiau yra problemų su ličio sieros akumuliatoriais.Tiek katodas, tiek anodas yra ypač reaktyvūs.Sieros katodai yra tokie reaktyvūs, kad jie ištirpsta veikiant akumuliatoriui.Ši problema pablogėja esant aukštai temperatūrai.O ličio metalo anodai yra linkę formuoti į adatas panašias struktūras, vadinamas dendritais, kurie gali pradurti akumuliatoriaus dalis ir sukelti trumpąjį jungimą.Dėl to ličio sieros baterijos veikia tik iki dešimčių ciklų.
„Jei norite didelio energijos tankio akumuliatoriaus, paprastai reikia naudoti labai atšiaurią, sudėtingą chemiją“, - sakė Chenas.„Didelė energija reiškia, kad vyksta daugiau reakcijų, o tai reiškia mažiau stabilumo, daugiau degradacijos.Padaryti daug energijos naudojančią, stabilią bateriją yra sudėtinga užduotis – bandyti tai padaryti plačiame temperatūrų diapazone yra dar sudėtingiau.
UC San Diego komandos sukurtas dibutilo eterio elektrolitas apsaugo nuo šių problemų net esant aukštai ir žemai temperatūrai.Jų išbandytų baterijų tarnavimo laikas buvo daug ilgesnis nei įprastos ličio sieros baterijos."Mūsų elektrolitas padeda pagerinti katodo ir anodo pusę, tuo pačiu užtikrinant aukštą laidumą ir sąsajos stabilumą", - sakė Chen.
Komanda taip pat sukūrė sieros katodą, kad jis būtų stabilesnis, skiepijant jį polimeru.Tai neleidžia daugiau sieros ištirpti į elektrolitą.
Kiti žingsniai apima akumuliatoriaus cheminės sudėties padidinimą, optimizavimą, kad jis veiktų dar aukštesnėje temperatūroje ir dar pailgintų ciklo tarnavimo laiką.
Straipsnis: „Tirpiklio parinkimo kriterijai temperatūrai atspariems ličio sieros akumuliatoriams“.Tarp bendraautorių yra Guorui Cai, Johnas Holoubekas, Mingqian Li, Hongpeng Gao, Yijie Yin, Sicen Yu, Haodong Liu, Tod A. Pascal ir Ping Liu, visi iš UC San Diego.
Šis darbas buvo paremtas NASA kosmoso technologijų tyrimų stipendijų programos (ECF 80NSSC18K1512), Nacionalinio mokslo fondo per UC San Diego medžiagų tyrimų mokslo ir inžinerijos centrą (MRSEC, dotacija DMR-2011924) ir JAV biuro ankstyvosios karjeros fakulteto stipendija. JAV Energetikos departamento transporto priemonių technologijos per pažangių baterijų medžiagų tyrimų programą (Battery500 konsorciumas, sutartis DE-EE0007764).Šis darbas iš dalies buvo atliktas San Diego nanotechnologijų infrastruktūroje (SDNI) UC San Diego, Nacionalinės nanotechnologijų koordinuotos infrastruktūros, kurią remia Nacionalinis mokslo fondas, narys (subsidija ECCS-1542148).
Paskelbimo laikas: 2022-08-10