Ingenjörer vid University of California San Diego har utvecklat litiumjonbatterier som fungerar bra vid iskalla och brännheta temperaturer, samtidigt som de packar mycket energi.Forskarna åstadkom denna bedrift genom att utveckla en elektrolyt som inte bara är mångsidig och robust över ett brett temperaturområde, utan också kompatibel med en högenergianod och katod.
De temperaturtåliga batteriernabeskrivs i ett papper som publicerades veckan den 4 juli i Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Sådana batterier skulle kunna göra det möjligt för elfordon i kallt klimat att färdas längre på en enda laddning;de kan också minska behovet av kylsystem för att förhindra att fordonens batteripaket överhettas i varma klimat, säger Zheng Chen, professor i nanoteknik vid UC San Diego Jacobs School of Engineering och senior författare till studien.
"Du behöver drift med hög temperatur i områden där omgivningstemperaturen kan nå de tresiffriga siffrorna och vägarna blir ännu varmare.I elektriska fordon är batteripaketen vanligtvis under golvet, nära dessa varma vägar”, förklarade Chen, som också är fakultetsmedlem i UC San Diego Sustainable Power and Energy Center."Också batterierna värms upp bara från att en ström går igenom under drift.Om batterierna inte kan tolerera denna uppvärmning vid hög temperatur kommer deras prestanda snabbt att försämras.”
I tester behöll proof-of-concept-batterierna 87,5 % och 115,9 % av sin energikapacitet vid -40 respektive 50 C (-40 och 122 F).De hade också höga Coulombic-verkningsgrader på 98,2 % respektive 98,7 % vid dessa temperaturer, vilket betyder att batterierna kan genomgå fler laddnings- och urladdningscykler innan de slutar fungera.
Batterierna som Chen och kollegor utvecklade är både kyl- och värmetoleranta tack vare sin elektrolyt.Den är gjord av en flytande lösning av dibutyleter blandad med ett litiumsalt.En speciell egenskap med dibutyleter är att dess molekyler binder svagt till litiumjoner.Med andra ord kan elektrolytmolekylerna lätt släppa litiumjoner när batteriet går.Denna svaga molekylära interaktion, hade forskarna upptäckt i en tidigare studie, förbättrar batteriets prestanda vid minusgrader.Dessutom kan dibutyleter lätt ta värmen eftersom den förblir flytande vid höga temperaturer (den har en kokpunkt på 141 C, eller 286 F).
Stabiliserande litium-svavelkemi
Det som också är speciellt med denna elektrolyt är att den är kompatibel med ett litium-svavelbatteri, som är en typ av laddningsbart batteri som har en anod av litiummetall och en katod av svavel.Litium-svavelbatterier är en viktig del av nästa generations batteriteknik eftersom de lovar högre energidensitet och lägre kostnader.De kan lagra upp till två gånger mer energi per kilogram än dagens litiumjonbatterier – detta kan fördubbla räckvidden för elfordon utan att vikten på batteripaketet ökar.Dessutom är svavel rikligare och mindre problematisk att hämta än kobolt som används i traditionella litiumjonbatterikatoder.
Men det finns problem med litium-svavelbatterier.Både katoden och anoden är superreaktiva.Svavelkatoder är så reaktiva att de löses upp under batteridrift.Detta problem förvärras vid höga temperaturer.Och litiummetallanoder är benägna att bilda nålliknande strukturer som kallas dendriter som kan tränga igenom delar av batteriet och få det att kortsluta.Som ett resultat håller litium-svavelbatterier bara upp till tiotals cykler.
"Om du vill ha ett batteri med hög energitäthet måste du vanligtvis använda mycket hård, komplicerad kemi," sa Chen."Hög energi betyder att fler reaktioner sker, vilket betyder mindre stabilitet, mer nedbrytning.Att göra ett högenergibatteri som är stabilt är en svår uppgift i sig - att försöka göra detta genom ett brett temperaturområde är ännu mer utmanande."
Dibutyleterelektrolyten som utvecklats av UC San Diego-teamet förhindrar dessa problem, även vid höga och låga temperaturer.Batterierna de testade hade mycket längre livslängd än ett typiskt litium-svavelbatteri."Vår elektrolyt hjälper till att förbättra både katodsidan och anodsidan samtidigt som den ger hög ledningsförmåga och gränssnittsstabilitet", säger Chen.
Teamet konstruerade också svavelkatoden för att vara mer stabil genom att ympa den till en polymer.Detta förhindrar att mer svavel löses upp i elektrolyten.
Nästa steg inkluderar att skala upp batterikemin, optimera den för att fungera vid ännu högre temperaturer och förlänga livslängden ytterligare.
Papper: "Lösningsmedelsurvalskriterier för temperaturtåliga litium-svavelbatterier."Medförfattare inkluderar Guorui Cai, John Holoubek, Mingqian Li, Hongpeng Gao, Yijie Yin, Sicen Yu, Haodong Liu, Tod A. Pascal och Ping Liu, alla vid UC San Diego.
Detta arbete stöddes av ett tidig karriärfakultetsanslag från NASA:s Space Technology Research Grants Program (ECF 80NSSC18K1512), National Science Foundation genom UC San Diego Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC, anslag DMR-2011924) och Office of Fordonsteknik från det amerikanska energidepartementet genom Advanced Battery Materials Research Program (Battery500 Consortium, kontrakt DE-EE0007764).Detta arbete utfördes delvis vid San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) vid UC San Diego, en medlem av National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, som stöds av National Science Foundation (bidrag ECCS-1542148).
Posttid: 2022-aug-10