Ingenieurs van de Universiteit van Californië in San Diego hebben lithium-ionbatterijen ontwikkeld die goed presteren bij vrieskou en verzengend hete temperaturen, terwijl ze veel energie bevatten.De onderzoekers hebben deze prestatie bereikt door een elektrolyt te ontwikkelen die niet alleen veelzijdig en robuust is over een breed temperatuurbereik, maar ook compatibel is met een hoogenergetische anode en kathode.
De temperatuurbestendige batterijenworden beschreven in een artikel dat in de week van 4 juli is gepubliceerd in Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Met dergelijke batterijen kunnen elektrische voertuigen in koude klimaten verder reizen op één lading;ze zouden ook de behoefte aan koelsystemen kunnen verminderen om te voorkomen dat de accupakketten van de voertuigen oververhit raken in warme klimaten, zegt Zheng Chen, hoogleraar nano-engineering aan de UC San Diego Jacobs School of Engineering en senior auteur van het onderzoek.
“Je hebt werking bij hoge temperaturen nodig in gebieden waar de omgevingstemperatuur de drievoudige cijfers kan bereiken en de wegen nog warmer worden.In elektrische voertuigen bevinden de accupakketten zich doorgaans onder de vloer, dicht bij deze hete wegen”, legt Chen uit, die ook lid is van de faculteit van het UC San Diego Sustainable Power and Energy Center.“Bovendien warmen batterijen op doordat er tijdens het gebruik stroom doorheen loopt.Als de batterijen deze opwarming bij hoge temperaturen niet kunnen verdragen, zullen hun prestaties snel afnemen.”
In tests behielden de proof-of-concept-batterijen 87,5% en 115,9% van hun energiecapaciteit bij respectievelijk -40 en 50 C (-40 en 122 F).Ze hadden ook een hoge Coulomb-efficiëntie van respectievelijk 98,2% en 98,7% bij deze temperaturen, wat betekent dat de batterijen meer laad- en ontlaadcycli kunnen ondergaan voordat ze niet meer werken.
De batterijen die Chen en collega's ontwikkelden, zijn dankzij hun elektrolyt zowel koude- als hittetolerant.Het is gemaakt van een vloeibare oplossing van dibutylether gemengd met een lithiumzout.Een bijzonder kenmerk van dibutylether is dat de moleculen zwak binden aan lithiumionen.Met andere woorden: de elektrolytmoleculen kunnen gemakkelijk lithiumionen loslaten terwijl de batterij loopt.Deze zwakke moleculaire interactie, zo hadden de onderzoekers in een eerder onderzoek ontdekt, verbetert de prestaties van de batterij bij temperaturen onder het vriespunt.Bovendien kan dibutylether gemakkelijk de hitte opnemen omdat het bij hoge temperaturen vloeibaar blijft (het heeft een kookpunt van 141 C of 286 F).
Stabiliserende lithium-zwavelchemie
Wat ook bijzonder is aan deze elektrolyt, is dat hij compatibel is met een lithium-zwavelbatterij, een soort oplaadbare batterij met een anode van lithiummetaal en een kathode van zwavel.Lithium-zwavelbatterijen zijn een essentieel onderdeel van de batterijtechnologieën van de volgende generatie, omdat ze een hogere energiedichtheid en lagere kosten beloven.Ze kunnen tot twee keer meer energie per kilogram opslaan dan de huidige lithium-ionbatterijen. Dit zou de actieradius van elektrische voertuigen kunnen verdubbelen zonder dat het gewicht van het batterijpakket toeneemt.Bovendien is zwavel overvloediger aanwezig en minder problematisch om te verkrijgen dan het kobalt dat wordt gebruikt in traditionele kathoden van lithium-ionbatterijen.
Maar er zijn problemen met lithium-zwavelbatterijen.Zowel de kathode als de anode zijn superreactief.Zwavelkathodes zijn zo reactief dat ze oplossen tijdens batterijgebruik.Dit probleem wordt erger bij hoge temperaturen.En lithiummetaalanodes zijn gevoelig voor het vormen van naaldachtige structuren, dendrieten genaamd, die delen van de batterij kunnen doorboren, waardoor er kortsluiting ontstaat.Als gevolg hiervan gaan lithium-zwavelbatterijen slechts tientallen cycli mee.
“Als je een batterij met een hoge energiedichtheid wilt, moet je doorgaans zeer agressieve, gecompliceerde chemie gebruiken”, zegt Chen.“Hoge energie betekent dat er meer reacties plaatsvinden, wat minder stabiliteit en meer degradatie betekent.Het maken van een stabiele batterij met een hoog energieverbruik is op zichzelf al een moeilijke taak; dit proberen te doen over een breed temperatuurbereik is zelfs nog uitdagender.”
De dibutylether-elektrolyt ontwikkeld door het team van UC San Diego voorkomt deze problemen, zelfs bij hoge en lage temperaturen.De batterijen die ze testten hadden een veel langere levensduur dan een typische lithium-zwavelbatterij."Onze elektrolyt helpt zowel de kathodezijde als de anodezijde te verbeteren en zorgt tegelijkertijd voor een hoge geleidbaarheid en grensvlakstabiliteit", aldus Chen.
Het team heeft ook de zwavelkathode zo ontworpen dat deze stabieler is door deze op een polymeer te enten.Dit voorkomt dat er meer zwavel in de elektrolyt oplost.
Volgende stappen zijn onder meer het opschalen van de batterijchemie, het optimaliseren ervan om bij nog hogere temperaturen te werken en het verder verlengen van de levensduur van de batterij.
Paper: “Oplosmiddelselectiecriteria voor temperatuurbestendige lithium-zwavelbatterijen.”Co-auteurs zijn onder meer Guorui Cai, John Holoubek, Mingqian Li, Hongpeng Gao, Yijie Yin, Sicen Yu, Haodong Liu, Tod A. Pascal en Ping Liu, allemaal bij UC San Diego.
Dit werk werd ondersteund door een Early Career Faculty-subsidie van NASA's Space Technology Research Grants Program (ECF 80NSSC18K1512), de National Science Foundation via het UC San Diego Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC, Grant DMR-2011924) en het Office of Vehicle Technologies van het Amerikaanse ministerie van Energie via het Advanced Battery Materials Research Program (Battery500 Consortium, contract DE-EE0007764).Dit werk werd gedeeltelijk uitgevoerd bij de San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) bij UC San Diego, een lid van de National Nanotechnology Coulated Infrastructure, die wordt ondersteund door de National Science Foundation (subsidie ECCS-1542148).
Posttijd: 10 augustus 2022