แบตเตอรี่ที่อัดแน่นไปด้วยพลังงานเหล่านี้ทำงานได้ดีในสภาพอากาศหนาวเย็นและร้อนจัด

วิศวกรจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานดิเอโกได้พัฒนาแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ทำงานได้ดีในอุณหภูมิเย็นเยือกแข็งและร้อนจัดในขณะที่บรรจุพลังงานได้มากนักวิจัยบรรลุความสำเร็จนี้ด้วยการพัฒนาอิเล็กโทรไลต์ที่ไม่เพียงแต่มีความอเนกประสงค์และทนทานตลอดช่วงอุณหภูมิที่กว้างเท่านั้น แต่ยังเข้ากันได้กับแอโนดและแคโทดพลังงานสูงอีกด้วย
แบตเตอรี่ที่ทนต่ออุณหภูมิได้อธิบายไว้ในบทความที่ตีพิมพ์ในสัปดาห์วันที่ 4 กรกฎาคมใน รายงานการประชุมของ National Academy of Sciences (PNAS)
แบตเตอรี่ดังกล่าวอาจทำให้ยานพาหนะไฟฟ้าในสภาพอากาศหนาวเย็นสามารถเดินทางได้ไกลขึ้นด้วยการชาร์จเพียงครั้งเดียวพวกเขายังสามารถลดความจำเป็นในการใช้ระบบทำความเย็นเพื่อป้องกันไม่ให้ชุดแบตเตอรี่ของยานพาหนะร้อนเกินไปในสภาพอากาศที่ร้อน Zheng Chen ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมนาโนที่ UC San Diego Jacobs School of Engineering และผู้เขียนอาวุโสของการศึกษากล่าว
“คุณต้องใช้งานที่อุณหภูมิสูงในพื้นที่ที่อุณหภูมิโดยรอบสามารถสูงถึงสามหลักและถนนก็ร้อนยิ่งขึ้นในยานพาหนะไฟฟ้า โดยทั่วไปชุดแบตเตอรี่จะอยู่ใต้พื้นใกล้กับถนนที่ร้อนจัดเหล่านี้” Chen ซึ่งเป็นอาจารย์ของ UC San Diego Sustainable Power and Energy Center อธิบาย“นอกจากนี้ แบตเตอรี่จะอุ่นขึ้นเพียงเมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านระหว่างการทำงานหากแบตเตอรี่ไม่สามารถทนต่อการอุ่นเครื่องที่อุณหภูมิสูงได้ ประสิทธิภาพจะลดลงอย่างรวดเร็ว”
ในการทดสอบ แบตเตอรี่ที่พิสูจน์แนวคิดสามารถรักษาความจุพลังงานได้ 87.5% และ 115.9% ที่อุณหภูมิ -40 และ 50 C (-40 และ 122 F) ตามลำดับอีกทั้งยังมีประสิทธิภาพคูลอมบิกสูงถึง 98.2% และ 98.7% ที่อุณหภูมิเหล่านี้ ตามลำดับ ซึ่งหมายความว่าแบตเตอรี่สามารถรับรอบการชาร์จและคายประจุได้มากขึ้นก่อนที่จะหยุดทำงาน
แบตเตอรี่ที่ Chen และเพื่อนร่วมงานพัฒนามีทั้งความทนทานต่อความเย็นและความร้อนเนื่องจากมีอิเล็กโทรไลต์มันทำจากสารละลายของเหลวของไดบิวทิลอีเทอร์ผสมกับเกลือลิเธียมคุณสมบัติพิเศษของไดบิวทิลอีเทอร์คือโมเลกุลของมันจะจับกับลิเธียมไอออนอย่างอ่อนกล่าวอีกนัยหนึ่ง โมเลกุลอิเล็กโทรไลต์สามารถปล่อยลิเธียมไอออนได้อย่างง่ายดายในขณะที่แบตเตอรี่ทำงานนักวิจัยได้ค้นพบปฏิสัมพันธ์ของโมเลกุลที่อ่อนแอนี้ในการศึกษาก่อนหน้านี้ ช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ที่อุณหภูมิต่ำกว่าศูนย์นอกจากนี้ dibutyl ether ยังสามารถรับความร้อนได้ง่ายเนื่องจากยังคงเป็นของเหลวที่อุณหภูมิสูง (มีจุดเดือดที่ 141 C หรือ 286 F)
ทำให้เคมีลิเธียมซัลเฟอร์คงตัว
ความพิเศษของอิเล็กโทรไลต์นี้คือสามารถใช้งานร่วมกับแบตเตอรี่ลิเธียม-ซัลเฟอร์ ซึ่งเป็นแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้ประเภทหนึ่งซึ่งมีขั้วบวกที่ทำจากโลหะลิเธียมและแคโทดที่ทำจากกำมะถันแบตเตอรี่ลิเธียม-ซัลเฟอร์เป็นส่วนสำคัญของเทคโนโลยีแบตเตอรี่ยุคหน้า เนื่องจากมีความหนาแน่นของพลังงานสูงขึ้นและลดต้นทุนลงพวกเขาสามารถกักเก็บพลังงานได้มากกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนในปัจจุบันถึงสองเท่าต่อกิโลกรัม ซึ่งสามารถเพิ่มระยะทางของยานพาหนะไฟฟ้าเป็นสองเท่าโดยไม่ทำให้น้ำหนักของแบตเตอรี่เพิ่มขึ้นนอกจากนี้ กำมะถันยังอุดมสมบูรณ์และมีปัญหาในการหาแหล่งที่มาน้อยกว่าโคบอลต์ที่ใช้ในแคโทดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบเดิม
แต่มีปัญหากับแบตเตอรี่ลิเธียมซัลเฟอร์ทั้งแคโทดและแอโนดมีปฏิกิริยาซุปเปอร์แคโทดซัลเฟอร์มีปฏิกิริยามากจนละลายระหว่างการทำงานของแบตเตอรี่ปัญหานี้แย่ลงเมื่อมีอุณหภูมิสูงและแอโนดโลหะลิเธียมมีแนวโน้มที่จะสร้างโครงสร้างคล้ายเข็มที่เรียกว่าเดนไดรต์ซึ่งสามารถเจาะส่วนของแบตเตอรี่ทำให้เกิดการลัดวงจรได้ผลก็คือแบตเตอรี่ลิเธียม-ซัลเฟอร์มีอายุการใช้งานสูงสุดหลายสิบรอบเท่านั้น
“หากคุณต้องการแบตเตอรี่ที่มีความหนาแน่นของพลังงานสูง คุณมักจะต้องใช้เคมีที่รุนแรงและซับซ้อนมาก” เฉินกล่าว“พลังงานที่สูงหมายถึงปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นมากขึ้น ซึ่งหมายถึงความเสถียรน้อยลง การย่อยสลายมากขึ้นการสร้างแบตเตอรี่พลังงานสูงที่มีความเสถียรนั้นเป็นงานที่ยาก การพยายามทำสิ่งนี้ผ่านช่วงอุณหภูมิที่กว้างนั้นยิ่งท้าทายมากขึ้น”
อิเล็กโทรไลต์อีเทอร์ไดบิวทิลที่พัฒนาโดยทีมงาน UC San Diego ป้องกันปัญหาเหล่านี้ แม้ในอุณหภูมิสูงและต่ำแบตเตอรี่ที่พวกเขาทดสอบมีอายุการใช้งานยาวนานกว่าแบตเตอรี่ลิเธียม-ซัลเฟอร์ทั่วไป“อิเล็กโทรไลต์ของเราช่วยปรับปรุงทั้งด้านแคโทดและด้านแอโนด ในขณะเดียวกันก็ให้ค่าการนำไฟฟ้าสูงและความเสถียรของพื้นผิว” เฉินกล่าว
ทีมงานยังได้ออกแบบแคโทดกำมะถันให้มีความเสถียรมากขึ้นโดยการต่อเข้ากับพอลิเมอร์เพื่อป้องกันไม่ให้ซัลเฟอร์ละลายเข้าไปในอิเล็กโทรไลต์มากขึ้น
ขั้นตอนต่อไป ได้แก่ การขยายขนาดเคมีของแบตเตอรี่ การเพิ่มประสิทธิภาพให้ทำงานที่อุณหภูมิที่สูงขึ้น และยืดอายุการใช้งานของวงจรให้นานขึ้น
เอกสาร: “เกณฑ์การเลือกตัวทำละลายสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียม-ซัลเฟอร์ที่ยืดหยุ่นต่ออุณหภูมิ”ผู้ร่วมเขียน ได้แก่ Guorui Cai, John Holoubek, Mingqian Li, Hongpeng Gao, Yijie Yin, Sicen Yu, Haodong Liu, Tod A. Pascal และ Ping Liu ทั้งหมดที่ UC San Diego
งานนี้ได้รับการสนับสนุนจากทุนสนับสนุนจากคณะ Early Career จากโครงการทุนวิจัยเทคโนโลยีอวกาศของ NASA (ECF 80NSSC18K1512) มูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติผ่านศูนย์วิทยาศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์การวิจัยวัสดุ UC San Diego (MRSEC ทุน DMR-2011924) และสำนักงาน เทคโนโลยียานยนต์ของกระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกาผ่านโครงการวิจัยวัสดุแบตเตอรี่ขั้นสูง (สมาคมแบตเตอรี่ 500 สัญญา DE-EE0007764)งานนี้ดำเนินการในส่วนโครงสร้างพื้นฐานนาโนเทคโนโลยีซานดิเอโก (SDNI) ที่ UC San Diego ซึ่งเป็นสมาชิกของโครงสร้างพื้นฐานที่ประสานงานนาโนเทคโนโลยีแห่งชาติ ซึ่งได้รับการสนับสนุนโดยมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ (ให้สิทธิ์ ECCS-1542148)