Инжењери на Калифорнијском универзитету у Сан Дијегу развили су литијум-јонске батерије које се добро понашају на ниским температурама и врућим температурама, док пакују много енергије.Истраживачи су постигли овај подвиг тако што су развили електролит који није само свестран и робустан у широком температурном опсегу, већ је и компатибилан са високоенергетском анодом и катодом.
Батерије отпорне на температуруописани су у раду објављеном 4. јула у Процеедингс оф тхе Натионал Ацадеми оф Сциенцес (ПНАС).
Такве батерије би могле омогућити електричним возилима у хладним климама да путују даље са једним пуњењем;они би такође могли да смање потребу за системима за хлађење како би се акумулатори у возилима спречили прегревања у врућим климама, рекао је Џенг Чен, професор наноинжењеринга на УЦ Сан Диего Јацобс Сцхоол оф Енгинееринг и виши аутор студије.
„Потребан вам је рад на високој температури у областима где температура околине може да достигне троцифрену цифру, а путеви постају још топлији.У електричним возилима, батерије су обично испод пода, близу ових врућих путева“, објаснио је Чен, који је такође члан факултета УЦ Сан Диего Центра за одрживу енергију и енергију.„Такође, батерије се загревају само од струје током рада.Ако батерије не могу толерисати ово загревање на високој температури, њихове перформансе ће се брзо погоршати."
У тестовима, батерије за проверу концепта задржале су 87,5% и 115,9% свог енергетског капацитета на -40 и 50 Ц (-40 и 122 Ф), респективно.Такође су имали високу куломбичку ефикасност од 98,2% и 98,7% на овим температурама, респективно, што значи да батерије могу да прођу више циклуса пуњења и пражњења пре него што престану да раде.
Батерије које су Цхен и његове колеге развили су отпорне на хладноћу и топлоту захваљујући свом електролиту.Направљен је од течног раствора дибутил етра помешаног са литијумовом соли.Посебна карактеристика дибутил етра је да се његови молекули слабо везују за литијумове јоне.Другим речима, молекули електролита могу лако да испусте литијум јоне док батерија ради.Ова слаба молекуларна интеракција, открили су истраживачи у претходној студији, побољшава перформансе батерије на температурама испод нуле.Плус, дибутил етар може лако да поднесе топлоту јер остаје течан на високим температурама (има тачку кључања од 141 Ц или 286 Ф).
Стабилизирајуће хемије литијум-сумпора
Оно што је такође посебно код овог електролита је то што је компатибилан са литијум-сумпорном батеријом, која је врста пуњиве батерије која има аноду од метала литијума и катоду од сумпора.Литијум-сумпорне батерије су суштински део технологије батерија следеће генерације јер обећавају већу густину енергије и ниже трошкове.Они могу да складиште до два пута више енергије по килограму од данашњих литијум-јонских батерија — ово би могло удвостручити домет електричних возила без икаквог повећања тежине батерије.Такође, сумпора има више и мање проблематичан је за извор од кобалта који се користи у традиционалним катодама литијум-јонских батерија.
Али постоје проблеми са литијум-сумпорним батеријама.И катода и анода су супер реактивне.Сумпорне катоде су толико реактивне да се растварају током рада батерије.Овај проблем се погоршава на високим температурама.А литијум металне аноде су склоне формирању игличастих структура које се називају дендрити које могу да пробуше делове батерије, узрокујући њен кратки спој.Као резултат тога, литијум-сумпорне батерије трају само десетине циклуса.
„Ако желите батерију са великом густином енергије, обично морате да користите веома оштру, компликовану хемију“, рекао је Чен.„Висока енергија значи да се дешава више реакција, што значи мање стабилности, више деградације.Прављење стабилне батерије високе енергије је сам по себи тежак задатак - покушај да се то уради у широком температурном опсегу је још изазовнији."
Електролит дибутил етра који је развио тим УЦ Сан Диего спречава ове проблеме, чак и на високим и ниским температурама.Батерије које су тестирали имале су много дужи век трајања од типичне литијум-сумпорне батерије.„Наш електролит помаже у побољшању и катодне и анодне стране, истовремено пружајући високу проводљивост и стабилност међуфаза“, рекао је Чен.
Тим је такође конструисао сумпорну катоду да буде стабилнија калемљењем на полимер.Ово спречава растварање веће количине сумпора у електролиту.
Следећи кораци укључују повећање хемијског састава батерије, оптимизацију за рад на још вишим температурама и даље продужење животног циклуса.
Рад: „Критеријуми за избор растварача за температурно отпорне литијум-сумпорне батерије.Коаутори су Гуоруи Цаи, Јохн Холоубек, Мингкиан Ли, Хонгпенг Гао, Иијие Иин, Сицен Иу, Хаодонг Лиу, Тод А. Пасцал и Пинг Лиу, сви на УЦ Сан Диего.
Овај рад је подржан грантом Факултета за рану каријеру из НАСА-иног Програма грантова за истраживање свемирске технологије (ЕЦФ 80НССЦ18К1512), Националне научне фондације преко УЦ Сан Диего Центра за истраживање материјала и инжењеринга (МРСЕЦ, грант ДМР-2011924) и Канцеларије за Вехицле Тецхнологиес Министарства енергетике САД кроз Програм за напредно истраживање материјала за батерије (Баттери500 Цонсортиум, уговор ДЕ-ЕЕ0007764).Овај рад је делимично изведен у Нанотехнолошкој инфраструктури Сан Дијега (СДНИ) у УЦ Сан Диего, члану Националне инфраструктуре координисане нанотехнологије, коју подржава Национална научна фондација (грант ЕЦЦС-1542148).
Време поста: 10.08.2022