या ऊर्जा-पॅक बॅटरी अत्यंत थंड आणि उष्णतेमध्ये चांगले काम करतात

कॅलिफोर्निया युनिव्हर्सिटी सॅन डिएगो येथील अभियंत्यांनी लिथियम-आयन बॅटरी विकसित केल्या आहेत ज्या गोठवणाऱ्या थंडीत आणि गरम तापमानात चांगली कामगिरी करतात आणि भरपूर ऊर्जा पॅक करतात.संशोधकांनी एक इलेक्ट्रोलाइट विकसित करून हे पराक्रम साध्य केले जे केवळ विस्तृत तापमान श्रेणीमध्ये बहुमुखी आणि मजबूत नाही तर उच्च ऊर्जा एनोड आणि कॅथोडशी सुसंगत देखील आहे.
तापमान-प्रतिरोधक बॅटरीप्रोसिडिंग्स ऑफ नॅशनल अॅकॅडमी ऑफ सायन्सेस (पीएनएएस) मध्ये 4 जुलैच्या आठवड्यात प्रकाशित झालेल्या पेपरमध्ये वर्णन केले आहे.
अशा बॅटरी थंड हवामानात इलेक्ट्रिक वाहनांना एकाच चार्जवर दूरपर्यंत प्रवास करू शकतात;ते उष्ण हवामानात वाहनांच्या बॅटरी पॅकला जास्त गरम होण्यापासून रोखण्यासाठी कूलिंग सिस्टमची गरज कमी करू शकतात, असे UC सॅन डिएगो जेकब्स स्कूल ऑफ इंजिनियरिंगमधील नॅनोइंजिनियरिंगचे प्राध्यापक आणि अभ्यासाचे वरिष्ठ लेखक झेंग चेन म्हणाले.
“जेथे सभोवतालचे तापमान तिप्पट अंकांपर्यंत पोहोचू शकते आणि रस्ते आणखी गरम होऊ शकतात अशा भागात तुम्हाला उच्च तापमान ऑपरेशनची आवश्यकता आहे.इलेक्ट्रिक वाहनांमध्ये, बॅटरी पॅक सामान्यत: मजल्याखाली असतात, या गरम रस्त्यांच्या जवळ," चेन यांनी स्पष्ट केले, जो UC सॅन दिएगो सस्टेनेबल पॉवर अँड एनर्जी सेंटरचे फॅकल्टी सदस्य देखील आहे.“तसेच, ऑपरेशन दरम्यान विद्युत प्रवाह चालू झाल्यामुळे बॅटरी गरम होतात.जर बॅटरी उच्च तापमानात हे तापमानवाढ सहन करू शकत नसतील, तर त्यांची कार्यक्षमता त्वरीत खराब होईल.”
चाचण्यांमध्ये, प्रूफ-ऑफ-संकल्पना बॅटरीने त्यांच्या उर्जा क्षमतेच्या 87.5% आणि 115.9% अनुक्रमे -40 आणि 50 C (-40 आणि 122 F) वर ठेवल्या.त्यांच्याकडे या तापमानात अनुक्रमे 98.2% आणि 98.7% ची उच्च कौलोम्बिक कार्यक्षमता होती, याचा अर्थ बॅटरी काम करणे थांबवण्यापूर्वी अधिक चार्ज आणि डिस्चार्ज चक्रातून जाऊ शकतात.
चेन आणि सहकाऱ्यांनी विकसित केलेल्या बॅटरी त्यांच्या इलेक्ट्रोलाइटमुळे थंड आणि उष्णता सहन करू शकतात.हे लिथियम मीठ मिसळून डिब्युटाइल इथरच्या द्रव द्रावणापासून बनवले जाते.डिब्युटाइल इथरचे एक विशेष वैशिष्ट्य म्हणजे त्याचे रेणू लिथियम आयनशी कमकुवतपणे बांधतात.दुसऱ्या शब्दांत, बॅटरी चालत असताना इलेक्ट्रोलाइट रेणू सहजपणे लिथियम आयन सोडू शकतात.संशोधकांनी मागील अभ्यासात शोधून काढलेल्या या कमकुवत आण्विक संवादामुळे शून्याखालील तापमानात बॅटरीची कार्यक्षमता सुधारते.तसेच, डिब्युटाइल इथर सहजपणे उष्णता घेऊ शकते कारण ते उच्च तापमानात द्रव राहते (त्याचा उत्कल बिंदू 141 C, किंवा 286 F आहे).
लिथियम-सल्फर रसायने स्थिर करणे
या इलेक्ट्रोलाइटचे विशेष म्हणजे ते लिथियम-सल्फर बॅटरीशी सुसंगत आहे, जी एक प्रकारची रिचार्जेबल बॅटरी आहे ज्यामध्ये लिथियम धातूचा एनोड आणि सल्फरचा बनलेला कॅथोड असतो.लिथियम-सल्फर बॅटरी पुढील पिढीच्या बॅटरी तंत्रज्ञानाचा एक आवश्यक भाग आहेत कारण ते उच्च ऊर्जा घनता आणि कमी खर्चाचे वचन देतात.ते आजच्या लिथियम-आयन बॅटरीपेक्षा प्रति किलोग्रॅम दोनपट जास्त ऊर्जा साठवू शकतात — यामुळे बॅटरी पॅकचे वजन वाढल्याशिवाय इलेक्ट्रिक वाहनांची श्रेणी दुप्पट होऊ शकते.तसेच, पारंपारिक लिथियम-आयन बॅटरी कॅथोड्समध्ये वापरल्या जाणार्‍या कोबाल्टपेक्षा सल्फर अधिक मुबलक आणि स्त्रोतासाठी कमी समस्याप्रधान आहे.
परंतु लिथियम-सल्फर बॅटरीमध्ये समस्या आहेत.कॅथोड आणि एनोड दोन्ही सुपर रिऍक्टिव आहेत.सल्फर कॅथोड्स इतके प्रतिक्रियाशील असतात की ते बॅटरीच्या ऑपरेशन दरम्यान विरघळतात.उच्च तापमानात ही समस्या अधिक तीव्र होते.आणि लिथियम मेटल एनोड्स सुई सारखी रचना तयार करण्यास प्रवण असतात ज्याला डेंड्राइट म्हणतात जे बॅटरीच्या काही भागांना छेदू शकतात, ज्यामुळे ते शॉर्ट सर्किट होऊ शकते.परिणामी, लिथियम-सल्फर बॅटरी फक्त दहा चक्रांपर्यंत टिकतात.
"जर तुम्हाला उच्च उर्जेची घनता असलेली बॅटरी हवी असेल, तर तुम्हाला विशेषत: अतिशय कठोर, गुंतागुंतीचे रसायनशास्त्र वापरावे लागेल," चेन म्हणाले."उच्च ऊर्जा म्हणजे अधिक प्रतिक्रिया होत आहेत, याचा अर्थ कमी स्थिरता, अधिक ऱ्हास.स्थिर असलेली उच्च-ऊर्जा बॅटरी बनवणे स्वतःच एक कठीण काम आहे - विस्तृत तापमान श्रेणीद्वारे हे करण्याचा प्रयत्न करणे अधिक आव्हानात्मक आहे.
UC सॅन डिएगो टीमने विकसित केलेले dibutyl इथर इलेक्ट्रोलाइट उच्च आणि कमी तापमानातही या समस्यांना प्रतिबंधित करते.सामान्य लिथियम-सल्फर बॅटरीपेक्षा त्यांनी चाचणी केलेल्या बॅटरीचे सायकलिंगचे आयुष्य जास्त होते."आमचे इलेक्ट्रोलाइट उच्च चालकता आणि इंटरफेसियल स्थिरता प्रदान करताना कॅथोड बाजू आणि एनोड बाजू दोन्ही सुधारण्यास मदत करते," चेन म्हणाले.
टीमने सल्फर कॅथोडला पॉलिमरमध्ये ग्राफ्टिंग करून अधिक स्थिर होण्यासाठी इंजिनिअर केले.हे इलेक्ट्रोलाइटमध्ये अधिक सल्फर विरघळण्यापासून प्रतिबंधित करते.
पुढील पायऱ्यांमध्ये बॅटरी रसायनशास्त्र वाढवणे, आणखी उच्च तापमानात काम करण्यासाठी ऑप्टिमाइझ करणे आणि सायकलचे आयुष्य आणखी वाढवणे यांचा समावेश होतो.
पेपर: "तापमान-लवचिक लिथियम-सल्फर बॅटरीसाठी सॉल्व्हेंट निवड निकष."सह-लेखकांमध्ये Guorui Cai, John Holoubek, Mingqian Li, Hongpeng Gao, Yijie Yin, Sicen Yu, Haodong Liu, Tod A. Pascal आणि Ping Liu यांचा समावेश आहे, सर्व UC सॅन डिएगो येथे आहेत.
या कामाला नासाच्या अंतराळ तंत्रज्ञान संशोधन अनुदान कार्यक्रम (ECF 80NSSC18K1512), नॅशनल सायन्स फाउंडेशन द्वारे UC सॅन डिएगो मटेरियल रिसर्च सायन्स अँड इंजिनिअरिंग सेंटर (MRSEC, अनुदान DMR-2011924) आणि कार्यालयाकडून अर्ली करिअर फॅकल्टी अनुदान देण्यात आले. प्रगत बॅटरी मटेरियल रिसर्च प्रोग्राम (बॅटरी५०० कंसोर्टियम, कॉन्ट्रॅक्ट DE-EE0007764) द्वारे यूएस ऊर्जा विभागाचे वाहन तंत्रज्ञान.नॅशनल सायन्स फाऊंडेशन (अनुदान ECCS-1542148) द्वारे समर्थित नॅशनल नॅनोटेक्नॉलॉजी कोऑर्डिनेटेड इन्फ्रास्ट्रक्चरचे सदस्य, UC सॅन दिएगो येथील सॅन दिएगो नॅनोटेक्नॉलॉजी इन्फ्रास्ट्रक्चर (SDNI) येथे हे कार्य अंशतः केले गेले.