Сан Диегогийн Калифорнийн Их Сургуулийн инженерүүд маш их энерги хуримтлуулж, хүйтэн жавар, халуун халуунд сайн ажилладаг лити-ион батерейг зохион бүтээжээ.Судлаачид температурын өргөн хүрээг хамарсан уян хатан, бат бөх төдийгүй өндөр энергитэй анод, катодтой нийцдэг электролитийг хөгжүүлснээр энэхүү амжилтад хүрсэн юм.
Температурт тэсвэртэй батерейнууд7-р сарын 4-ний долоо хоногт "Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)" сэтгүүлд нийтлэгдсэн нийтлэлд тайлбарлав.
Ийм батерей нь хүйтэн цаг агаарт цахилгаан тээврийн хэрэгслийг нэг цэнэглэлтээр хол явах боломжийг олгодог;Тэд мөн халуун цаг агаарт тээврийн хэрэгслийн батарейг хэт халалтаас хамгаалах хөргөлтийн системийн хэрэгцээг бууруулж чадна гэж UC San Diego Jacobs Engineering сургуулийн нано инженерчлэлийн профессор, судалгааны ахлах зохиолч Жэн Чен хэлэв.
“Орчны температур гурван оронтой тоонд хүрч, зам улам халуун болж байгаа газруудад өндөр температурт ажиллах шаардлагатай.Цахилгаан тээврийн хэрэгслийн батерей нь ихэвчлэн шалан доор, эдгээр халуун замд ойрхон байдаг" гэж Сан Диего хотын Тогтвортой эрчим хүч, эрчим хүчний төвийн багш Чен тайлбарлав.“Мөн батерей нь ажиллах явцад гүйдэл дамжихаас л болж дулаардаг.Хэрэв батерей нь өндөр температурт ийм халалтыг тэсвэрлэж чадахгүй бол гүйцэтгэл нь хурдан доройтох болно."
Туршилтын явцад нотлогдсон батерейнууд нь -40 ба 50 С (-40 ба 122 F) температурт эрчим хүчний хүчин чадлынхаа 87.5% ба 115.9% -ийг хадгалсан байна.Тэд мөн эдгээр температурт тус тус 98.2% ба 98.7% -ийн Куломын өндөр үр ашигтай байсан бөгөөд энэ нь батерейнууд ажиллахаа болихоос өмнө илүү их цэнэглэгдэж, цэнэггүй болох боломжтой гэсэн үг юм.
Чен болон түүний хамтран ажиллагсдын бүтээсэн батерейнууд нь электролитийн ачаар хүйтэн, халуунд тэсвэртэй байдаг.Энэ нь литийн давстай холилдсон дибутил эфирийн шингэн уусмалаар хийгдсэн.Дибутил эфирийн онцлог шинж чанар нь түүний молекулууд литийн ионуудтай сул холбогддог явдал юм.Өөрөөр хэлбэл, батарей ажиллаж байх үед электролитийн молекулууд литийн ионуудыг амархан хаяж чаддаг.Энэхүү сул молекулын харилцан үйлчлэл нь тэгээс доош температурт батерейны ажиллагааг сайжруулдаг болохыг судлаачид өмнөх судалгаагаар олж мэдсэн.Дээрээс нь дибутил эфир нь өндөр температурт шингэн (буцлах цэг нь 141 С буюу 286 F) байдаг тул дулааныг амархан авч чаддаг.
Лити-хүхрийн химийн бодисыг тогтворжуулах
Энэхүү электролитийн онцлог нь литийн металлаар хийсэн анод, хүхрээр хийсэн катод бүхий цэнэглэдэг батерейны төрөл болох лити-хүхрийн батерейтай нийцдэг.Лити-хүхрийн батерей нь эрчим хүчний өндөр нягтрал, бага өртөгтэй тул дараагийн үеийн батерейны технологийн чухал хэсэг юм.Тэд өнөөгийн лити-ион батерейг бодвол нэг кг тутамд хоёр дахин их эрчим хүч хуримтлуулах боломжтой бөгөөд энэ нь батерейны жинг нэмэгдүүлэхгүйгээр цахилгаан тээврийн хэрэгслийн хүрээг хоёр дахин нэмэгдүүлэх боломжтой юм.Түүнчлэн хүхэр нь уламжлалт лити-ион батерейны катодод ашигладаг кобальтаас илүү элбэг бөгөөд эх үүсвэрийн хувьд асуудал багатай байдаг.
Гэхдээ лити-хүхрийн батерейнд асуудал гардаг.Катод ба анод хоёулаа хэт идэвхтэй байдаг.Хүхрийн катодууд нь маш идэвхтэй байдаг тул батерейг ажиллуулах явцад уусдаг.Өндөр температурт энэ асуудал улам бүр дорддог.Мөн литийн металлын анодууд нь дендрит гэж нэрлэгддэг зүү шиг бүтцийг бий болгож, зайны хэсгүүдийг цоолж, богино холболт үүсгэдэг.Үүний үр дүнд лити-хүхрийн батерейнууд нь зөвхөн хэдэн арван мөчлөгт үйлчилдэг.
"Хэрэв та эрчим хүчний өндөр нягтралтай батерей авахыг хүсвэл ихэвчлэн маш хатуу, төвөгтэй химийн аргыг ашиглах хэрэгтэй" гэж Чен хэлэв.“Өндөр энерги гэдэг нь илүү олон урвал явагдаж байна гэсэн үг бөгөөд энэ нь бага тогтвортой байдал, илүү их доройтол гэсэн үг.Тогтвортой, өндөр энергитэй батерей хийх нь өөрөө хэцүү ажил бөгөөд үүнийг өргөн температурын хүрээнд хийхийг оролдох нь бүр ч хэцүү байдаг."
Сан Диегогийн UC багийн боловсруулсан дибутил эфирийн электролит нь өндөр, бага температурт ч гэсэн эдгээр асуудлаас сэргийлдэг.Тэдний туршсан батерейнууд нь ердийн лити-хүхрийн батерейгаас хамаагүй урт унадаг байсан."Манай электролит нь катодын тал болон анодын талыг хоёуланг нь сайжруулахад тусалдаг бөгөөд өндөр дамжуулалт, гадаргуугийн тогтвортой байдлыг хангадаг" гэж Чен хэлэв.
Мөн баг нь хүхрийн катодыг полимерт залгах замаар илүү тогтвортой байхаар зохион бүтээжээ.Энэ нь илүү их хүхрийг электролитэд уусахаас сэргийлдэг.
Дараагийн алхмууд нь батерейны химийн бүтцийг нэмэгдүүлэх, илүү өндөр температурт ажиллахын тулд үүнийг оновчтой болгох, мөчлөгийн хугацааг уртасгах зэрэг орно.
Цаас: "Температурт тэсвэртэй лити-хүхрийн батерейны уусгагчийг сонгох шалгуур."Хамтран зохиогчид нь Гуоруй Цай, Жон Холубек, Мингян Ли, Хунпэн Гао, Ижие Ин, Сицэн Ю, Хаодонг Лю, Тод А. Паскаль, Пин Лиу зэрэг UC San Diego-д байдаг.
Энэхүү ажлыг НАСА-гийн Сансрын технологийн судалгааны тэтгэлэгт хөтөлбөр (ECF 80NSSC18K1512), Үндэсний шинжлэх ухааны сангаас UC Сан Диегогийн материал судлалын шинжлэх ухаан, инженерчлэлийн төв (MRSEC, грант DMR-2011924) болон АНУ-ын Сансрын Технологийн Судалгааны Тэтгэлгийн Хөтөлбөр (ECF 80NSSC18K1512), Эртний Карьерийн Факультетийн тэтгэлэгээр дэмжигдсэн. АНУ-ын Эрчим хүчний яамны Тээврийн хэрэгслийн технологийн дэвшилтэт батерейны материалын судалгааны хөтөлбөрөөр дамжуулан (Battery500 консорциум, гэрээ DE-EE0007764).Энэхүү ажлыг Үндэсний Шинжлэх Ухааны Сангийн дэмжлэгтэйгээр (ECCS-1542148 тэтгэлэг) дэмждэг Үндэсний Нанотехнологийн зохицуулалттай дэд бүтцийн гишүүн Сан Диего хотын Сан Диегогийн Нанотехнологийн дэд бүтцэд (SDNI) хэсэгчлэн гүйцэтгэсэн.
Шуудангийн цаг: 2022 оны 8-р сарын 10-ны хооронд