Инженеры Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали литий-ионные аккумуляторы, которые хорошо работают при очень низких и очень высоких температурах, сохраняя при этом большой запас энергии.Исследователи достигли этого, разработав электролит, который не только универсален и надежен в широком диапазоне температур, но также совместим с высокоэнергетическими анодом и катодом.
Устойчивые к температуре батареиописаны в статье, опубликованной 4 июля в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Такие батареи могут позволить электромобилям в холодном климате путешествовать дальше на одном заряде;они также могут снизить потребность в системах охлаждения, предотвращающих перегрев аккумуляторных батарей транспортных средств в жарком климате, говорит Чжэн Чен, профессор наноинженерии в Инженерной школе Джейкобса Калифорнийского университета в Сан-Диего и старший автор исследования.
«Вам необходима работа при высоких температурах в районах, где температура окружающей среды может достигать трехзначных цифр, а дороги становятся еще жарче.В электромобилях аккумуляторные батареи обычно располагаются под полом, рядом с горячими дорогами», — объяснил Чен, который также является преподавателем Центра устойчивой энергетики и энергетики Калифорнийского университета в Сан-Диего.«Кроме того, батареи нагреваются просто от протекания тока во время работы.Если батареи не смогут выдержать такой разогрев при высокой температуре, их производительность быстро ухудшится».
В ходе испытаний аккумуляторы для проверки концепции сохранили 87,5% и 115,9% своей энергоемкости при температуре -40 и 50°C (-40 и 122°F) соответственно.Они также имели высокий кулоновский КПД — 98,2% и 98,7% при этих температурах соответственно, что означает, что батареи могут подвергаться большему количеству циклов зарядки и разрядки, прежде чем перестанут работать.
Батареи, разработанные Ченом и его коллегами, устойчивы как к холоду, так и к жаре благодаря своему электролиту.Он изготовлен из жидкого раствора дибутилового эфира, смешанного с солью лития.Особенностью дибутилового эфира является то, что его молекулы слабо связываются с ионами лития.Другими словами, молекулы электролита могут легко выделять ионы лития во время работы аккумулятора.Это слабое молекулярное взаимодействие, как обнаружили исследователи в предыдущем исследовании, улучшает работу батареи при минусовых температурах.Кроме того, дибутиловый эфир легко выдерживает нагревание, поскольку он остается жидким при высоких температурах (его температура кипения составляет 141°С или 286°F).
Стабилизация химического состава лития и серы
Особенностью этого электролита является то, что он совместим с литий-серной батареей, которая представляет собой тип аккумуляторной батареи с анодом из металлического лития и катодом из серы.Литий-серные батареи являются важной частью аккумуляторных технологий следующего поколения, поскольку они обещают более высокую плотность энергии и более низкие затраты.Они могут хранить в два раза больше энергии на килограмм, чем современные литий-ионные батареи — это может удвоить запас хода электромобилей без какого-либо увеличения веса аккумуляторной батареи.Кроме того, сера более распространена и ее менее проблематично добыть, чем кобальт, используемый в катодах традиционных литий-ионных аккумуляторов.
А вот с литий-серными аккумуляторами есть проблемы.И катод, и анод являются сверхреактивными.Серные катоды настолько реактивны, что растворяются во время работы батареи.Эта проблема усугубляется при высоких температурах.Аноды из металлического лития склонны к образованию игольчатых структур, называемых дендритами, которые могут пробивать части батареи, вызывая ее короткое замыкание.В результате литий-серные батареи служат лишь до десятков циклов.
«Если вам нужна батарея с высокой плотностью энергии, вам, как правило, придется использовать очень агрессивную и сложную химию», — сказал Чен.«Высокая энергия означает, что происходит больше реакций, а это означает меньшую стабильность и большую деградацию.Создание стабильной высокоэнергетической батареи само по себе является сложной задачей, а попытаться сделать это в широком диапазоне температур еще сложнее».
Электролит на основе дибутилового эфира, разработанный командой Калифорнийского университета в Сан-Диего, предотвращает эти проблемы даже при высоких и низких температурах.Батареи, которые они тестировали, имели гораздо более длительный срок службы, чем типичная литий-серная батарея.«Наш электролит помогает улучшить как катодную, так и анодную сторону, обеспечивая при этом высокую проводимость и межфазную стабильность», — сказал Чен.
Команда также разработала серный катод, сделав его более стабильным, привив его к полимеру.Это предотвращает растворение большего количества серы в электролите.
Следующие шаги включают увеличение химического состава батареи, ее оптимизацию для работы при еще более высоких температурах и дальнейшее продление срока службы батареи.
Статья: «Критерии выбора растворителя для термостойких литий-серных батарей».В число соавторов входят Гуоруй Цай, Джон Холоубек, Минцянь Ли, Хунпэн Гао, Ицзе Инь, Сицен Ю, Хаодун Лю, Тод А. Паскаль и Пин Лю, все из Калифорнийского университета в Сан-Диего.
Эта работа была поддержана грантом факультета ранней карьеры в рамках Программы грантов НАСА на исследования космических технологий (ECF 80NSSC18K1512), Национального научного фонда через Научно-технический центр исследований материалов Калифорнийского университета в Сан-Диего (MRSEC, грант DMR-2011924) и Управления Транспортные технологии Министерства энергетики США в рамках Программы исследований передовых материалов для аккумуляторов (Консорциум Battery500, контракт DE-EE0007764).Эта работа частично выполнялась в Инфраструктуре нанотехнологий Сан-Диего (SDNI) Калифорнийского университета в Сан-Диего, члене Национальной координируемой инфраструктуры нанотехнологий, которая поддерживается Национальным научным фондом (грант ECCS-1542148).
Время публикации: 10 августа 2022 г.