Inginerii de la Universitatea din California din San Diego au dezvoltat baterii litiu-ion care funcționează bine la temperaturi înghețate și arzătoare, în timp ce împachetează multă energie.Cercetătorii au realizat această performanță prin dezvoltarea unui electrolit care nu este doar versatil și robust pe o gamă largă de temperaturi, dar și compatibil cu un anod și un catod de mare energie.
Bateriile rezistente la temperaturăsunt descrise într-o lucrare publicată în săptămâna 4 iulie în Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Astfel de baterii ar putea permite vehiculelor electrice din climatele reci să călătorească mai departe cu o singură încărcare;ar putea reduce, de asemenea, nevoia de sisteme de răcire pentru a împiedica supraîncălzirea bateriilor vehiculelor în climă caldă, a spus Zheng Chen, profesor de nanoinginerie la UC San Diego Jacobs School of Engineering și autor principal al studiului.
„Aveți nevoie de funcționare la temperaturi ridicate în zonele în care temperatura ambientală poate atinge trei cifre și drumurile devin și mai fierbinți.În vehiculele electrice, bateriile sunt de obicei sub podea, aproape de aceste drumuri fierbinți”, a explicat Chen, care este, de asemenea, membru al facultății al Centrului de Energie și Energie Durabilă UC San Diego.„De asemenea, bateriile se încălzesc doar de la trecerea curentului în timpul funcționării.Dacă bateriile nu pot tolera această încălzire la temperaturi ridicate, performanța lor se va degrada rapid.”
În teste, bateriile cu dovadă de concept au reținut 87,5% și 115,9% din capacitatea lor energetică la -40 și, respectiv, 50 C (-40 și, respectiv, 122 F).De asemenea, au avut eficiențe Coulombice ridicate de 98,2% și, respectiv, 98,7% la aceste temperaturi, ceea ce înseamnă că bateriile pot suferi mai multe cicluri de încărcare și descărcare înainte de a înceta să funcționeze.
Bateriile pe care Chen și colegii le-au dezvoltat sunt atât la frig, cât și la căldură, datorită electrolitului lor.Este format dintr-o soluție lichidă de dibutil eter amestecată cu o sare de litiu.O caracteristică specială a eterului dibutil este că moleculele sale se leagă slab la ionii de litiu.Cu alte cuvinte, moleculele de electroliți pot elibera cu ușurință ionii de litiu pe măsură ce bateria funcționează.Această interacțiune moleculară slabă, au descoperit cercetătorii într-un studiu anterior, îmbunătățește performanța bateriei la temperaturi sub zero.În plus, dibutil eterul poate prelua cu ușurință căldura, deoarece rămâne lichid la temperaturi ridicate (are un punct de fierbere de 141 C sau 286 F).
Stabilizarea chimilor litiu-sulf
Ceea ce este, de asemenea, special la acest electrolit este că este compatibil cu o baterie cu litiu-sulf, care este un tip de baterie reîncărcabilă care are un anod din litiu metalic și un catod din sulf.Bateriile cu litiu-sulf sunt o parte esențială a tehnologiilor de baterii de ultimă generație, deoarece promit densități mai mari de energie și costuri mai mici.Ele pot stoca de până la două ori mai multă energie pe kilogram decât bateriile litiu-ion de astăzi - acest lucru ar putea dubla autonomia vehiculelor electrice fără nicio creștere a greutății acumulatorului.De asemenea, sulful este mai abundent și mai puțin problematic la sursă decât cobaltul utilizat în catozii tradiționali ai bateriilor cu litiu-ion.
Dar există probleme cu bateriile cu litiu-sulf.Atât catodul cât și anodul sunt super reactivi.Catozii de sulf sunt atât de reactivi încât se dizolvă în timpul funcționării bateriei.Această problemă se agravează la temperaturi ridicate.Și anozii de litiu metalic sunt predispuși să formeze structuri asemănătoare ace numite dendrite care pot străpunge părți ale bateriei, provocând scurtcircuitarea acesteia.Ca rezultat, bateriile cu litiu-sulf durează doar până la zeci de cicluri.
„Dacă doriți o baterie cu densitate mare de energie, de obicei trebuie să utilizați o chimie foarte dură și complicată”, a spus Chen.„Energia mare înseamnă că au loc mai multe reacții, ceea ce înseamnă mai puțină stabilitate, mai multă degradare.Realizarea unei baterii de înaltă energie care este stabilă este o sarcină dificilă în sine - încercarea de a face acest lucru într-un interval larg de temperatură este și mai dificilă.”
Electrolitul dibutil eter dezvoltat de echipa UC San Diego previne aceste probleme, chiar și la temperaturi ridicate și scăzute.Bateriile pe care le-au testat au avut o durată de viață mult mai lungă decât o baterie tipică cu litiu-sulf.„Electrolitul nostru ajută la îmbunătățirea atât a catodului, cât și a anodului, oferind în același timp o conductivitate ridicată și o stabilitate interfacială”, a spus Chen.
Echipa a proiectat, de asemenea, catodul de sulf pentru a fi mai stabil prin altoirea lui pe un polimer.Acest lucru previne dizolvarea mai multor sulf în electrolit.
Următorii pași includ extinderea chimiei bateriei, optimizarea acesteia pentru a funcționa la temperaturi și mai mari și extinderea ciclului de viață.
Lucrare: „Criterii de selecție a solvenților pentru bateriile cu litiu-sulf rezistente la temperatură.”Co-autori includ Guorui Cai, John Holoubek, Mingqian Li, Hongpeng Gao, Yijie Yin, Sicen Yu, Haodong Liu, Tod A. Pascal și Ping Liu, toți la UC San Diego.
Această lucrare a fost susținută de un grant al Facultății pentru carieră timpurie din Programul de granturi pentru cercetare în tehnologie spațială al NASA (ECF 80NSSC18K1512), Fundația Națională de Știință prin Centrul de Cercetare și Inginerie a Materialelor UC San Diego (MRSEC, grant DMR-2011924) și Biroul de Tehnologii pentru vehicule ale Departamentului de Energie al SUA prin Programul de cercetare avansată a materialelor pentru baterii (Consorțiul Batterie500, contract DE-EE0007764).Această activitate a fost efectuată parțial la San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) de la UC San Diego, membru al National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, care este susținută de National Science Foundation (grant ECCS-1542148).
Ora postării: 10-aug-2022