Инженерите од Универзитетот во Калифорнија во Сан Диего развија литиум-јонски батерии кои добро функционираат на ниски студени и жешки температури, додека пакуваат многу енергија.Истражувачите го постигнаа овој подвиг со развивање на електролит кој не само што е разноврсен и робустен низ широк температурен опсег, туку и компатибилен со високоенергетска анода и катода.
Батерии отпорни на температурасе опишани во труд објавен неделата од 4 јули во Зборник на трудови на Националната академија на науките (ПНАС).
Таквите батерии би можеле да им овозможат на електричните возила во ладна клима да патуваат подалеку со едно полнење;тие исто така би можеле да ја намалат потребата од системи за ладење за да се спречи прегревање на батериите на возилата во топла клима, рече Џенг Чен, професор по наноинженерство на Факултетот за инженерство во UC Сан Диего Џејкобс и постар автор на студијата.
„Потребна ви е работа со висока температура во области каде што температурата на околината може да достигне трицифрени цифри, а патиштата стануваат уште потопли.Кај електричните возила, батериите обично се под подот, блиску до овие жешки патишта“, објасни Чен, кој исто така е член на факултетот во Центарот за одржлива енергија и енергија UC Сан Диего.„Исто така, батериите се загреваат само од истекување на струја за време на работата.Ако батериите не можат да го толерираат ова загревање на висока температура, нивните перформанси брзо ќе се намалат“.
Во тестовите, батериите со доказ за концепт задржаа 87,5% и 115,9% од нивниот енергетски капацитет на -40 и 50 C (-40 и 122 F), соодветно.Тие, исто така, имаа висока кулумбиска ефикасност од 98,2% и 98,7% на овие температури, соодветно, што значи дека батериите може да подлежат на повеќе циклуси на полнење и празнење пред да престанат да работат.
Батериите што Чен и колегите ги развија се толерантни на студ и топлина благодарение на нивниот електролит.Направен е од течен раствор на дибутил етер измешан со литиумска сол.Посебна карактеристика за дибутил етер е тоа што неговите молекули слабо се врзуваат за јоните на литиум.Со други зборови, молекулите на електролитот лесно можат да ги испуштат јоните на литиум додека батеријата работи.Оваа слаба молекуларна интеракција, која истражувачите ја открија во претходната студија, ги подобрува перформансите на батеријата на температури под нулата.Плус, дибутил етер лесно може да ја преземе топлината бидејќи останува течен на високи температури (има точка на вриење од 141 C или 286 F).
Стабилизирање на хемијата на литиум-сулфур
Она што е исто така посебно за овој електролит е тоа што е компатибилен со литиум-сулфурна батерија, која е тип на батерија на полнење која има анода изработена од литиум метал и катода од сулфур.Литиум-сулфурните батерии се суштински дел од технологиите за батерии од следната генерација бидејќи ветуваат поголема густина на енергија и помали трошоци.Тие можат да складираат до два пати повеќе енергија за килограм од денешните литиум-јонски батерии - ова би можело да го удвои опсегот на електричните возила без никакво зголемување на тежината на батерискиот пакет.Исто така, сулфурот е позастапен и помалку проблематичен за изворот од кобалтот што се користи во традиционалните катоди на литиум-јонски батерии.
Но, има проблеми со литиум-сулфурните батерии.И катодата и анодата се супер реактивни.Сулфурните катоди се толку реактивни што се раствораат за време на работата на батеријата.Овој проблем се влошува на високи температури.И литиумските метални аноди се склони да формираат структури слични на игла наречени дендрити кои можат да пробијат делови од батеријата, предизвикувајќи нејзин краток спој.Како резултат на тоа, литиум-сулфурните батерии траат само до десетици циклуси.
„Ако сакате батерија со висока енергетска густина, обично треба да користите многу груба, комплицирана хемија“, рече Чен.„Високата енергија значи дека се случуваат повеќе реакции, што значи помала стабилност, повеќе деградација.Да се направи високо-енергетска батерија која е стабилна е самата тешка задача - обидот да се направи тоа преку широк температурен опсег е уште поголем предизвик“.
Електролитот дибутил етер развиен од тимот на UC Сан Диего ги спречува овие проблеми, дури и при високи и ниски температури.Батериите што ги тестираа имаа многу подолг животен век на велосипед од типична литиум-сулфурна батерија.„Нашиот електролит помага да се подобрат и страната на катодата и анодната страна, истовремено обезбедувајќи висока спроводливост и стабилност на површината“, рече Чен.
Тимот исто така ја конструирал сулфурната катода да биде постабилна со калемење на полимер.Ова спречува повеќе сулфур да се раствори во електролитот.
Следните чекори вклучуваат зголемување на хемијата на батеријата, оптимизирање за работа на уште повисоки температури и дополнително продолжување на животниот век на циклусот.
Хартија: „Критериуми за избор на растворувачи за литиум-сулфурни батерии отпорни на температура“.Коавторите ги вклучуваат Гуоруи Каи, Џон Холубек, Мингчијан Ли, Хонгпенг Гао, Јиџи Јин, Сичен Ју, Хаодонг Лиу, Тод А. Паскал и Пинг Лиу, сите во УЗ Сан Диего.
Оваа работа беше поддржана од грант за факултет за рана кариера од Програмата за грантови за вселенска технологија на НАСА (ECF 80NSSC18K1512), Националната научна фондација преку Центарот за наука и инженерство за истражување на материјали UC Сан Диего (MRSEC, грант DMR-2011924) и Канцеларијата на Технологии на возила на Министерството за енергетика на САД преку Програмата за истражување на напредни материјали за батерии (Конзорциум Battery500, договор DE-EE0007764).Оваа работа беше изведена делумно во Сан Диего нанотехнолошката инфраструктура (SDNI) во UC Сан Диего, член на Националната координирана инфраструктура за нанотехнологија, која е поддржана од Националната научна фондација (грант ECCS-1542148).
Време на објавување: 10.08.2022