ఈ శక్తితో నిండిన బ్యాటరీలు విపరీతమైన చలి మరియు వేడిలో బాగా పని చేస్తాయి

యూనివర్శిటీ ఆఫ్ కాలిఫోర్నియా శాన్ డియాగోలోని ఇంజనీర్లు లిథియం-అయాన్ బ్యాటరీలను అభివృద్ధి చేశారు, ఇవి గడ్డకట్టే చలి మరియు మండే వేడి ఉష్ణోగ్రతల వద్ద బాగా పనిచేస్తాయి, అయితే చాలా శక్తిని ప్యాక్ చేస్తాయి.విస్తృత ఉష్ణోగ్రత పరిధిలో బహుముఖంగా మరియు దృఢంగా ఉండటమే కాకుండా, అధిక శక్తి యానోడ్ మరియు కాథోడ్‌కు అనుకూలంగా ఉండే ఎలక్ట్రోలైట్‌ను అభివృద్ధి చేయడం ద్వారా పరిశోధకులు ఈ ఘనతను సాధించారు.
ఉష్ణోగ్రతను తట్టుకునే బ్యాటరీలునేషనల్ అకాడమీ ఆఫ్ సైన్సెస్ (PNAS) యొక్క ప్రొసీడింగ్స్‌లో జూలై 4 వారంలో ప్రచురించబడిన పేపర్‌లో వివరించబడ్డాయి.
ఇటువంటి బ్యాటరీలు చల్లని వాతావరణంలో ఎలక్ట్రిక్ వాహనాలను ఒకే ఛార్జ్‌తో ఎక్కువ దూరం ప్రయాణించేలా చేయగలవు;వేడి వాతావరణంలో వాహనాల బ్యాటరీ ప్యాక్‌లు వేడెక్కకుండా ఉండేందుకు శీతలీకరణ వ్యవస్థల అవసరాన్ని కూడా ఇవి తగ్గించగలవని UC శాన్ డియాగో జాకబ్స్ స్కూల్ ఆఫ్ ఇంజనీరింగ్‌లో నానో ఇంజినీరింగ్ ప్రొఫెసర్ మరియు అధ్యయనం యొక్క సీనియర్ రచయిత జెంగ్ చెన్ అన్నారు.
“పరిసర ఉష్ణోగ్రత మూడు అంకెలకు చేరుకునే మరియు రోడ్లు మరింత వేడిగా ఉండే ప్రాంతాల్లో మీకు అధిక ఉష్ణోగ్రత ఆపరేషన్ అవసరం.ఎలక్ట్రిక్ వాహనాల్లో, బ్యాటరీ ప్యాక్‌లు సాధారణంగా నేల కింద ఉంటాయి, ఈ హాట్ రోడ్‌లకు దగ్గరగా ఉంటాయి" అని UC శాన్ డియాగో సస్టైనబుల్ పవర్ అండ్ ఎనర్జీ సెంటర్‌లో ఫ్యాకల్టీ సభ్యుడు కూడా అయిన చెన్ వివరించారు.“అలాగే, ఆపరేషన్ సమయంలో కరెంట్ రన్ చేయడం వల్ల బ్యాటరీలు వేడెక్కుతాయి.బ్యాటరీలు అధిక ఉష్ణోగ్రత వద్ద ఈ వార్మప్‌ను తట్టుకోలేకపోతే, వాటి పనితీరు త్వరగా క్షీణిస్తుంది.
పరీక్షలలో, ప్రూఫ్-ఆఫ్-కాన్సెప్ట్ బ్యాటరీలు వాటి శక్తి సామర్థ్యంలో వరుసగా -40 మరియు 50 C (-40 మరియు 122 F) వద్ద 87.5% మరియు 115.9% నిలుపుకున్నాయి.ఈ ఉష్ణోగ్రతల వద్ద అవి వరుసగా 98.2% మరియు 98.7% అధిక కూలంబిక్ సామర్థ్యాలను కలిగి ఉన్నాయి, అంటే బ్యాటరీలు పనిచేయడం మానేసే ముందు మరింత ఛార్జ్ మరియు డిశ్చార్జ్ సైకిళ్లకు లోనవుతాయి.
చెన్ మరియు సహచరులు అభివృద్ధి చేసిన బ్యాటరీలు వాటి ఎలక్ట్రోలైట్ కారణంగా చల్లగా మరియు వేడిని తట్టుకోగలవు.ఇది లిథియం ఉప్పుతో కలిపిన డైబ్యూటిల్ ఈథర్ యొక్క ద్రవ ద్రావణంతో తయారు చేయబడింది.డైబ్యూటిల్ ఈథర్ యొక్క ప్రత్యేక లక్షణం ఏమిటంటే, దాని అణువులు లిథియం అయాన్లతో బలహీనంగా బంధిస్తాయి.మరో మాటలో చెప్పాలంటే, బ్యాటరీ నడుస్తున్నప్పుడు ఎలక్ట్రోలైట్ అణువులు లిథియం అయాన్‌లను సులభంగా వదిలివేయగలవు.ఈ బలహీనమైన పరమాణు పరస్పర చర్య, పరిశోధకులు మునుపటి అధ్యయనంలో కనుగొన్నారు, ఉప-సున్నా ఉష్ణోగ్రతల వద్ద బ్యాటరీ పనితీరును మెరుగుపరుస్తుంది.అదనంగా, డిబ్యూటైల్ ఈథర్ సులభంగా వేడిని తీసుకోగలదు ఎందుకంటే ఇది అధిక ఉష్ణోగ్రతల వద్ద ద్రవంగా ఉంటుంది (దీనికి 141 C లేదా 286 F యొక్క మరిగే స్థానం ఉంటుంది).
లిథియం-సల్ఫర్ రసాయనాలను స్థిరీకరించడం
ఈ ఎలక్ట్రోలైట్ యొక్క ప్రత్యేకత ఏమిటంటే, ఇది లిథియం-సల్ఫర్ బ్యాటరీకి అనుకూలంగా ఉంటుంది, ఇది ఒక రకమైన పునర్వినియోగపరచదగిన బ్యాటరీ, ఇది లిథియం మెటల్‌తో చేసిన యానోడ్ మరియు సల్ఫర్‌తో చేసిన కాథోడ్‌ను కలిగి ఉంటుంది.లిథియం-సల్ఫర్ బ్యాటరీలు తదుపరి తరం బ్యాటరీ సాంకేతికతలలో ముఖ్యమైన భాగం ఎందుకంటే అవి అధిక శక్తి సాంద్రతలు మరియు తక్కువ ఖర్చులను వాగ్దానం చేస్తాయి.అవి నేటి లిథియం-అయాన్ బ్యాటరీల కంటే కిలోగ్రాముకు రెండు రెట్లు ఎక్కువ శక్తిని నిల్వ చేయగలవు - ఇది బ్యాటరీ ప్యాక్ బరువులో ఎటువంటి పెరుగుదల లేకుండా ఎలక్ట్రిక్ వాహనాల పరిధిని రెట్టింపు చేస్తుంది.అలాగే, సాంప్రదాయ లిథియం-అయాన్ బ్యాటరీ కాథోడ్‌లలో ఉపయోగించే కోబాల్ట్ కంటే సల్ఫర్ ఎక్కువ సమృద్ధిగా మరియు మూలానికి తక్కువ సమస్యాత్మకమైనది.
కానీ లిథియం-సల్ఫర్ బ్యాటరీలతో సమస్యలు ఉన్నాయి.కాథోడ్ మరియు యానోడ్ రెండూ సూపర్ రియాక్టివ్.సల్ఫర్ కాథోడ్‌లు చాలా రియాక్టివ్‌గా ఉంటాయి, అవి బ్యాటరీ ఆపరేషన్ సమయంలో కరిగిపోతాయి.అధిక ఉష్ణోగ్రతల వద్ద ఈ సమస్య మరింత తీవ్రమవుతుంది.మరియు లిథియం మెటల్ యానోడ్‌లు డెండ్రైట్‌లు అని పిలువబడే సూది-వంటి నిర్మాణాలను ఏర్పరుస్తాయి, ఇవి బ్యాటరీలోని భాగాలను కుట్టగలవు, ఇది షార్ట్-సర్క్యూట్‌కు కారణమవుతుంది.ఫలితంగా, లిథియం-సల్ఫర్ బ్యాటరీలు పదుల చక్రాల వరకు మాత్రమే ఉంటాయి.
"మీకు అధిక శక్తి సాంద్రత కలిగిన బ్యాటరీ కావాలంటే, మీరు సాధారణంగా చాలా కఠినమైన, సంక్లిష్టమైన కెమిస్ట్రీని ఉపయోగించాలి" అని చెన్ చెప్పారు.“అధిక శక్తి అంటే ఎక్కువ ప్రతిచర్యలు జరుగుతున్నాయి, అంటే తక్కువ స్థిరత్వం, మరింత అధోకరణం.స్థిరంగా ఉండే అధిక-శక్తి బ్యాటరీని తయారు చేయడం చాలా కష్టమైన పని - విస్తృత ఉష్ణోగ్రత పరిధి ద్వారా దీన్ని చేయడానికి ప్రయత్నించడం మరింత సవాలుగా ఉంటుంది.
UC శాన్ డియాగో బృందం అభివృద్ధి చేసిన డైబ్యూటిల్ ఈథర్ ఎలక్ట్రోలైట్ అధిక మరియు తక్కువ ఉష్ణోగ్రతల వద్ద కూడా ఈ సమస్యలను నివారిస్తుంది.వారు పరీక్షించిన బ్యాటరీలు సాధారణ లిథియం-సల్ఫర్ బ్యాటరీ కంటే ఎక్కువ సైక్లింగ్ జీవితాలను కలిగి ఉన్నాయి."మా ఎలక్ట్రోలైట్ అధిక వాహకత మరియు ఇంటర్‌ఫేషియల్ స్థిరత్వాన్ని అందించేటప్పుడు కాథోడ్ వైపు మరియు యానోడ్ వైపు రెండింటినీ మెరుగుపరచడంలో సహాయపడుతుంది" అని చెన్ చెప్పారు.
ఈ బృందం సల్ఫర్ కాథోడ్‌ను పాలిమర్‌కు అంటుకట్టడం ద్వారా మరింత స్థిరంగా ఉండేలా రూపొందించింది.ఇది ఎలక్ట్రోలైట్‌లో ఎక్కువ సల్ఫర్ కరిగిపోకుండా నిరోధిస్తుంది.
తదుపరి దశల్లో బ్యాటరీ కెమిస్ట్రీని స్కేలింగ్ చేయడం, మరింత ఎక్కువ ఉష్ణోగ్రతల వద్ద పనిచేసేలా దాన్ని ఆప్టిమైజ్ చేయడం మరియు సైకిల్ జీవితాన్ని మరింత పొడిగించడం వంటివి ఉన్నాయి.
పేపర్: "ఉష్ణోగ్రత-తట్టుకునే లిథియం-సల్ఫర్ బ్యాటరీల కోసం ద్రావణి ఎంపిక ప్రమాణాలు."సహ రచయితలలో Guorui Cai, John Holoubek, Mingqian Li, Hongpeng Gao, Yijie Yin, Sicen Yu, Haodong Liu, Tod A. Pascal మరియు Ping Liu, అందరూ UC శాన్ డియాగోలో ఉన్నారు.
ఈ పనికి NASA యొక్క స్పేస్ టెక్నాలజీ రీసెర్చ్ గ్రాంట్స్ ప్రోగ్రామ్ (ECF 80NSSC18K1512), UC శాన్ డియాగో మెటీరియల్స్ రీసెర్చ్ సైన్స్ అండ్ ఇంజనీరింగ్ సెంటర్ (MRSEC, గ్రాంట్ DMR-2011924) ద్వారా నేషనల్ సైన్స్ ఫౌండేషన్ నుండి ప్రారంభ కెరీర్ ఫ్యాకల్టీ గ్రాంట్ మద్దతు లభించింది. అడ్వాన్స్‌డ్ బ్యాటరీ మెటీరియల్స్ రీసెర్చ్ ప్రోగ్రామ్ (బ్యాటరీ500 కన్సార్టియం, కాంట్రాక్ట్ DE-EE0007764) ద్వారా US డిపార్ట్‌మెంట్ ఆఫ్ ఎనర్జీ యొక్క వాహన సాంకేతికతలు.నేషనల్ నానోటెక్నాలజీ కోఆర్డినేటెడ్ ఇన్‌ఫ్రాస్ట్రక్చర్‌లో సభ్యుడైన UC శాన్ డియాగోలోని శాన్ డియాగో నానోటెక్నాలజీ ఇన్‌ఫ్రాస్ట్రక్చర్ (SDNI)లో ఈ పని కొంత భాగం నిర్వహించబడింది, దీనికి నేషనల్ సైన్స్ ఫౌండేషన్ (ECCS-1542148 మంజూరు) మద్దతు ఇస్తుంది.