Inżynierowie z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego opracowali akumulatory litowo-jonowe, które dobrze radzą sobie w mroźnych i palących temperaturach, a jednocześnie dostarczają dużo energii.Naukowcy dokonali tego wyczynu, opracowując elektrolit, który jest nie tylko wszechstronny i wytrzymały w szerokim zakresie temperatur, ale także kompatybilny z anodą i katodą o wysokiej energii.
Baterie odporne na temperaturęopisano w artykule opublikowanym 4 lipca w Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Takie akumulatory mogłyby pozwolić pojazdom elektrycznym w zimnym klimacie na dalsze podróżowanie na jednym ładowaniu;mogłyby również zmniejszyć potrzebę stosowania systemów chłodzenia, aby zapobiec przegrzaniu akumulatorów pojazdów w gorącym klimacie, powiedział Zheng Chen, profesor nanoinżynierii w Szkole Inżynierskiej Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego Jacobs i starszy autor badania.
„Konieczna jest praca w wysokiej temperaturze w obszarach, w których temperatura otoczenia może osiągnąć trzycyfrową temperaturę, a drogi stają się jeszcze gorętsze.W pojazdach elektrycznych zestawy akumulatorów zwykle znajdują się pod podłogą, w pobliżu nagrzanych dróg” – wyjaśnił Chen, który jest także pracownikiem naukowym Centrum Zrównoważonej Energii i Energii Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego.„Akumulatory nagrzewają się także od samego przepływu prądu podczas pracy.Jeśli akumulatory nie tolerują nagrzewania się w wysokiej temperaturze, ich wydajność szybko się pogorszy.
W testach akumulatory sprawdzające koncepcję zachowały 87,5% i 115,9% swojej pojemności energetycznej odpowiednio w temperaturach -40 i 50°C (-40 i 122°F).Charakteryzowały się również wysoką sprawnością kulombowską, wynoszącą odpowiednio 98,2% i 98,7% w tych temperaturach, co oznacza, że akumulatory mogą przejść większą liczbę cykli ładowania i rozładowywania, zanim przestaną działać.
Baterie opracowane przez Chena i współpracowników są odporne na zimno i ciepło dzięki zawartemu w nich elektrolitowi.Wykonany jest z ciekłego roztworu eteru dibutylowego zmieszanego z solą litu.Szczególną cechą eteru dibutylowego jest to, że jego cząsteczki słabo wiążą się z jonami litu.Innymi słowy, cząsteczki elektrolitu mogą łatwo uwolnić jony litu podczas pracy akumulatora.Naukowcy odkryli w poprzednim badaniu, że ta słaba interakcja molekularna poprawia wydajność baterii w temperaturach poniżej zera.Ponadto eter dibutylowy może łatwo przejąć ciepło, ponieważ pozostaje płynny w wysokich temperaturach (ma temperaturę wrzenia 141°C lub 286°F).
Stabilizacja chemii litowo-siarkowej
Wyjątkowość tego elektrolitu polega również na tym, że jest on kompatybilny z akumulatorem litowo-siarkowym, który jest rodzajem akumulatora, który ma anodę wykonaną z litu metalicznego i katodę wykonaną z siarki.Baterie litowo-siarkowe stanowią istotny element technologii akumulatorów nowej generacji, ponieważ zapewniają wyższą gęstość energii i niższe koszty.Mogą zmagazynować do dwóch razy więcej energii na kilogram niż dzisiejsze akumulatory litowo-jonowe – mogłoby to podwoić zasięg pojazdów elektrycznych bez zwiększania masy zestawu akumulatorów.Ponadto siarka występuje w większej ilości i jest mniej problematyczna w pozyskiwaniu niż kobalt stosowany w tradycyjnych katodach akumulatorów litowo-jonowych.
Ale są problemy z akumulatorami litowo-siarkowymi.Zarówno katoda, jak i anoda są superreaktywne.Katody siarkowe są tak reaktywne, że rozpuszczają się podczas pracy akumulatorowej.Problem ten nasila się w wysokich temperaturach.Anody litowo-metalowe mają skłonność do tworzenia igieł, zwanych dendrytami, które mogą przebić części akumulatora, powodując jego zwarcie.W rezultacie akumulatory litowo-siarkowe wytrzymują tylko do kilkudziesięciu cykli.
„Jeśli potrzebujesz akumulatora o dużej gęstości energii, zazwyczaj musisz zastosować bardzo surową i skomplikowaną chemię” – powiedział Chen.„Wysoka energia oznacza, że zachodzi więcej reakcji, co oznacza mniejszą stabilność i większą degradację.Stworzenie stabilnego akumulatora wysokoenergetycznego samo w sobie jest trudnym zadaniem — próba osiągnięcia tego w szerokim zakresie temperatur jest jeszcze trudniejsza”.
Elektrolit w eterze dibutylowym opracowany przez zespół z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego zapobiega tym problemom, nawet w wysokich i niskich temperaturach.Testowane przez nich akumulatory charakteryzowały się znacznie dłuższą żywotnością niż typowe akumulatory litowo-siarkowe.„Nasz elektrolit pomaga ulepszyć zarówno katodę, jak i anodę, zapewniając jednocześnie wysoką przewodność i stabilność międzyfazową” – powiedział Chen.
Zespół zaprojektował także bardziej stabilną katodę siarkową poprzez szczepienie jej na polimerze.Zapobiega to rozpuszczaniu się większej ilości siarki w elektrolicie.
Kolejne kroki obejmują zwiększenie skali składu chemicznego akumulatora, optymalizację go do pracy w jeszcze wyższych temperaturach i dalsze wydłużenie cyklu życia.
Artykuł: „Kryteria doboru rozpuszczalników do odpornych na temperaturę akumulatorów litowo-siarkowych.”Współautorami są Guorui Cai, John Holoubek, Mingqian Li, Hongpeng Gao, Yijie Yin, Sicen Yu, Haodong Liu, Tod A. Pascal i Ping Liu, wszyscy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego.
Praca ta była wspierana przez grant Early Career Faculty z programu grantów badawczych NASA w zakresie technologii kosmicznych (ECF 80NSSC18K1512), Narodowej Fundacji Nauki za pośrednictwem Centrum Nauki i Inżynierii Materiałów Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego (MRSEC, grant DMR-2011924) oraz Biura ds. Technologie pojazdów Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych w ramach programu badań nad zaawansowanymi materiałami akumulatorowymi (konsorcjum Battery500, umowa DE-EE0007764).Prace te wykonano częściowo w Infrastrukturze Nanotechnologii w San Diego (SDNI) na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego, będącym członkiem Narodowej Infrastruktury Koordynowanej Nanotechnologii, wspieranej przez Narodową Fundację Nauki (grant ECCS-1542148).
Czas publikacji: 10 sierpnia 2022 r