California San Diego Üniversitesi'ndeki mühendisler, çok fazla enerji depolarken, dondurucu soğuklarda ve kavurucu sıcaklarda iyi performans gösteren lityum iyon piller geliştirdiler.Araştırmacılar bu başarıyı, yalnızca geniş bir sıcaklık aralığında çok yönlü ve sağlam olmakla kalmayıp aynı zamanda yüksek enerjili anot ve katotla uyumlu bir elektrolit geliştirerek başardılar.
Sıcaklığa dayanıklı piller4 Temmuz haftasında Ulusal Bilimler Akademisi Bildirilerinde (PNAS) yayınlanan bir makalede açıklanmıştır.
Bu tür piller, soğuk iklimlerde elektrikli araçların tek şarjla daha uzağa gitmesine olanak tanıyabilir;UC San Diego Jacobs Mühendislik Okulu'nda nanomühendislik profesörü ve çalışmanın kıdemli yazarı Zheng Chen, bunların aynı zamanda araçların akü paketlerinin sıcak iklimlerde aşırı ısınmasını önlemek için soğutma sistemlerine olan ihtiyacı da azaltabileceğini söyledi.
“Ortam sıcaklığının üç haneli rakamlara ulaştığı ve yolların daha da sıcak olduğu bölgelerde yüksek sıcaklıkta çalışmaya ihtiyacınız var.Elektrikli araçlarda pil paketleri genellikle bu sıcak yolların yakınında, zeminin altında bulunur," diye açıkladı aynı zamanda UC San Diego Sürdürülebilir Güç ve Enerji Merkezi öğretim üyesi olan Chen.“Ayrıca piller çalışma sırasında üzerinden akım geçmesi nedeniyle ısınıyor.Piller yüksek sıcaklıktaki bu ısınmayı tolere edemezse performansları hızla düşecektir.”
Testlerde, kavram kanıtı piller -40 ve 50 C'de (-40 ve 122 F) enerji kapasitelerinin sırasıyla %87,5 ve %115,9'unu korudu.Ayrıca bu sıcaklıklarda sırasıyla %98,2 ve %98,7 gibi yüksek Coulombic verimlilikleri vardı; bu da pillerin çalışmayı durdurmadan önce daha fazla şarj ve deşarj döngüsüne girebileceği anlamına geliyor.
Chen ve meslektaşlarının geliştirdiği piller, elektrolitleri sayesinde hem soğuğa hem de sıcağa dayanıklıdır.Lityum tuzu ile karıştırılmış sıvı dibütil eter çözeltisinden yapılır.Dibütil eterin özel bir özelliği moleküllerinin lityum iyonlarına zayıf bir şekilde bağlanmasıdır.Başka bir deyişle, pil çalışırken elektrolit molekülleri lityum iyonlarını kolaylıkla serbest bırakabilir.Araştırmacıların daha önceki bir çalışmada keşfettiği bu zayıf moleküler etkileşim, sıfırın altındaki sıcaklıklarda pil performansını artırıyor.Ayrıca dibutil eter, yüksek sıcaklıklarda sıvı kaldığı için ısıyı kolayca alabilir (kaynama noktası 141 C veya 286 F'dir).
Lityum-kükürt kimyalarının stabilize edilmesi
Bu elektrolitin özelliği aynı zamanda lityum metalden yapılmış bir anot ve sülfürden yapılmış bir katoda sahip olan bir tür şarj edilebilir pil olan lityum-kükürt pil ile uyumlu olmasıdır.Lityum-kükürt piller, daha yüksek enerji yoğunluğu ve daha düşük maliyet vaat etmesi nedeniyle yeni nesil pil teknolojilerinin önemli bir parçasıdır.Günümüzün lityum iyon pillerine göre kilogram başına iki kata kadar daha fazla enerji depolayabilirler; bu, pil takımının ağırlığında herhangi bir artış olmadan elektrikli araçların menzilini iki katına çıkarabilir.Ayrıca kükürt, geleneksel lityum iyon pil katotlarında kullanılan kobalttan daha bol miktarda bulunur ve kaynaklanması daha az problemlidir.
Ancak lityum-sülfür pillerle ilgili sorunlar var.Hem katot hem de anot süper reaktiftir.Kükürt katotları o kadar reaktiftir ki pil çalışması sırasında çözülürler.Bu sorun yüksek sıcaklıklarda daha da kötüleşir.Lityum metal anotlar, pilin bazı kısımlarını delerek kısa devreye neden olabilecek dendrit adı verilen iğne benzeri yapılar oluşturmaya eğilimlidir.Sonuç olarak, lityum-kükürt piller yalnızca onlarca döngüye kadar dayanır.
Chen, "Yüksek enerji yoğunluğuna sahip bir pil istiyorsanız genellikle çok sert ve karmaşık kimya kullanmanız gerekir" dedi."Yüksek enerji, daha fazla reaksiyonun meydana geldiği anlamına gelir; bu da daha az stabilite, daha fazla bozulma anlamına gelir.Kararlı, yüksek enerjili bir pil yapmak başlı başına zor bir iştir; bunu geniş bir sıcaklık aralığında yapmaya çalışmak daha da zordur."
UC San Diego ekibi tarafından geliştirilen dibutil eter elektrolit, yüksek ve düşük sıcaklıklarda bile bu sorunları önler.Test ettikleri piller, tipik bir lityum-kükürt pilden çok daha uzun çevrim ömrüne sahipti.Chen, "Elektrolitimiz, yüksek iletkenlik ve arayüzey stabilitesi sağlarken hem katot hem de anot tarafını iyileştirmeye yardımcı oluyor" dedi.
Ekip ayrıca kükürt katotunu bir polimere aşılayarak daha stabil olacak şekilde tasarladı.Bu, elektrolite daha fazla kükürtün çözünmesini önler.
Sonraki adımlar arasında pil kimyasının ölçeklendirilmesi, daha yüksek sıcaklıklarda çalışacak şekilde optimize edilmesi ve çevrim ömrünün daha da uzatılması yer alıyor.
Makale: "Sıcaklığa dayanıklı lityum-kükürt piller için solvent seçim kriterleri."Ortak yazarlar arasında tümü UC San Diego'da bulunan Guorui Cai, John Holoubek, Mingqian Li, Hongpeng Gao, Yijie Yin, Sicen Yu, Haodong Liu, Tod A. Pascal ve Ping Liu yer alıyor.
Bu çalışma, NASA'nın Uzay Teknolojisi Araştırma Hibe Programından (ECF 80NSSC18K1512), UC San Diego Malzeme Araştırma Bilim ve Mühendislik Merkezi (MRSEC, hibe DMR-2011924) aracılığıyla Ulusal Bilim Vakfı'ndan Erken Kariyer Fakültesi hibesi ve Ofis tarafından desteklenmiştir. Gelişmiş Pil Malzemeleri Araştırma Programı aracılığıyla ABD Enerji Bakanlığı Araç Teknolojileri (Battery500 Konsorsiyumu, DE-EE0007764 sözleşmesi).Bu çalışma kısmen, Ulusal Bilim Vakfı (grant ECCS-1542148) tarafından desteklenen Ulusal Nanoteknoloji Koordineli Altyapının bir üyesi olan UC San Diego'daki San Diego Nanoteknoloji Altyapısında (SDNI) gerçekleştirildi.
Gönderim zamanı: Ağu-10-2022