Inženirji na kalifornijski univerzi San Diego so razvili litij-ionske baterije, ki se dobro obnesejo pri nizkih in vročih temperaturah, hkrati pa vsebujejo veliko energije.Raziskovalcem je ta podvig uspel z razvojem elektrolita, ki ni samo vsestranski in robusten v širokem temperaturnem območju, ampak je tudi združljiv z visokoenergijsko anodo in katodo.
Temperaturno odporne baterijeso opisani v članku, objavljenem 4. julija v Zborniku Nacionalne akademije znanosti (PNAS).
Takšne baterije bi lahko električnim vozilom v hladnih podnebjih omogočile, da z enim polnjenjem prevozijo dlje;prav tako bi lahko zmanjšali potrebo po hladilnih sistemih, da bi preprečili pregrevanje baterijskih paketov vozil v vročih podnebjih, je dejal Zheng Chen, profesor nanoinženiringa na Inženirski šoli UC San Diego Jacobs in višji avtor študije.
»Potrebujete delovanje pri visokih temperaturah na območjih, kjer lahko temperatura okolice doseže trimestno številko in se ceste še bolj segrejejo.Pri električnih vozilih so akumulatorji običajno pod tlemi, blizu teh vročih cest,« je pojasnil Chen, ki je tudi član fakultete Centra za trajnostno energijo in energijo UC San Diego.»Poleg tega se baterije segrejejo samo zaradi toka, ki teče skozi njih med delovanjem.Če baterije ne prenesejo tega segrevanja pri visoki temperaturi, se bo njihova zmogljivost hitro poslabšala.«
Pri preizkusih so baterije za dokaz koncepta ohranile 87,5 % oziroma 115,9 % svoje energijske zmogljivosti pri -40 oziroma 50 C (-40 oziroma 122 F).Imeli so tudi visoko kulonsko učinkovitost 98,2 % oziroma 98,7 % pri teh temperaturah, kar pomeni, da lahko baterije opravijo več ciklov polnjenja in praznjenja, preden prenehajo delovati.
Baterije, ki so jih razvili Chen in njegovi sodelavci, so zaradi elektrolita odporne na mraz in vročino.Narejen je iz tekoče raztopine dibutil etra, pomešanega z litijevo soljo.Posebnost dibutil etra je, da se njegove molekule šibko vežejo na litijeve ione.Z drugimi besedami, molekule elektrolita lahko zlahka izpustijo litijeve ione med delovanjem baterije.Ta šibka molekularna interakcija, so raziskovalci odkrili v prejšnji študiji, izboljša delovanje baterije pri temperaturah pod ničlo.Poleg tega lahko dibutil eter zlahka prenese toploto, ker ostane tekoč pri visokih temperaturah (ima vrelišče 141 C ali 286 F).
Stabilizacijske kemije litij-žveplo
Posebnost tega elektrolita je tudi to, da je združljiv z litij-žveplovo baterijo, ki je vrsta polnilne baterije, ki ima anodo iz kovinskega litija in katodo iz žvepla.Litij-žveplove baterije so bistveni del baterijskih tehnologij naslednje generacije, saj obljubljajo večjo energijsko gostoto in nižje stroške.Shranijo lahko do dvakrat več energije na kilogram kot današnje litij-ionske baterije — to bi lahko podvojilo doseg električnih vozil brez kakršnega koli povečanja teže baterijskega paketa.Poleg tega je žvepla več in ga je manj problematično pridobiti kot kobalt, ki se uporablja v tradicionalnih katodah litij-ionskih baterij.
Vendar pa obstajajo težave z litij-žveplovimi baterijami.Tako katoda kot anoda sta super reaktivni.Žveplove katode so tako reaktivne, da se med delovanjem baterije raztopijo.Ta težava se poslabša pri visokih temperaturah.In litijeve kovinske anode so nagnjene k oblikovanju igličastih struktur, imenovanih dendriti, ki lahko prebodejo dele baterije in povzročijo kratek stik.Posledično litij-žveplove baterije zdržijo le do deset ciklov.
"Če želite baterijo z visoko energijsko gostoto, morate običajno uporabiti zelo ostro in zapleteno kemijo," je dejal Chen.»Visoka energija pomeni, da se dogaja več reakcij, kar pomeni manj stabilnosti, več degradacije.Izdelava visokoenergijske baterije, ki je stabilna, je sama po sebi težka naloga – poskušati to narediti v širokem temperaturnem območju je še večji izziv.«
Elektrolit dibutil eter, ki ga je razvila ekipa UC San Diego, preprečuje te težave, tudi pri visokih in nizkih temperaturah.Baterije, ki so jih testirali, so imele veliko daljšo življenjsko dobo kot običajne litij-žveplove baterije."Naš elektrolit pomaga izboljšati tako katodno kot anodno stran, hkrati pa zagotavlja visoko prevodnost in stabilnost na površini," je dejal Chen.
Ekipa je izdelala tudi žveplovo katodo, da je bolj stabilna, tako da jo je cepila na polimer.To preprečuje, da bi se več žvepla raztopilo v elektrolitu.
Naslednji koraki vključujejo povečanje kemije baterije, njeno optimizacijo za delovanje pri še višjih temperaturah in nadaljnje podaljšanje življenjske dobe.
Prispevek: "Izbirna merila topil za temperaturno odporne litij-žveplove baterije."Soavtorji so Guorui Cai, John Holoubek, Mingqian Li, Hongpeng Gao, Yijie Yin, Sicen Yu, Haodong Liu, Tod A. Pascal in Ping Liu, vsi na UC San Diego.
To delo je bilo podprto s štipendijo Early Career Faculty iz Nasinega Programa štipendij za raziskovanje vesoljske tehnologije (ECF 80NSSC18K1512), Nacionalne znanstvene fundacije prek Centra za raziskave materialov in inženiringa UC San Diego (MRSEC, štipendija DMR-2011924) in Urada za Vehicle Technologies Ministrstva za energijo ZDA prek naprednega raziskovalnega programa baterijskih materialov (konzorcij Battery500, pogodba DE-EE0007764).To delo je bilo delno opravljeno v San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) pri UC San Diego, članu nacionalne nanotehnološke koordinirane infrastrukture, ki jo podpira Nacionalna znanstvena fundacija (dotacija ECCS-1542148).
Čas objave: 10. avgusta 2022