Інженери з Каліфорнійського університету в Сан-Дієго розробили літій-іонні батареї, які добре працюють при низьких і пекучих температурах, водночас містять багато енергії.Дослідники досягли цього, розробивши електроліт, який є не тільки універсальним і надійним у широкому діапазоні температур, але також сумісним з високоенергетичними анодом і катодом.
Термостійкі батареїописані в статті, опублікованій 4 липня в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Такі батареї могли б дозволити електромобілям у холодному кліматі подорожувати далі на одному заряді;вони також можуть зменшити потребу в системах охолодження, щоб уникнути перегріву акумуляторних батарей транспортних засобів у жаркому кліматі, сказав Чжен Чен, професор наноінженерії в Інженерній школі Джейкобса в Сан-Дієго Каліфорнійського університету та старший автор дослідження.
«Вам потрібна робота при високій температурі в регіонах, де температура навколишнього середовища може досягати тризначних цифр, а дороги стають ще спекотнішими.В електромобілях акумуляторні батареї зазвичай знаходяться під підлогою, поблизу цих гарячих доріг», – пояснив Чен, який також є викладачем Центру стійкої енергії та енергетики Каліфорнійського університету в Сан-Дієго.«Крім того, батареї нагріваються просто через те, що під час роботи проходить струм.Якщо батареї не витримають такого нагрівання при високій температурі, їх продуктивність швидко погіршиться».
Під час випробувань перевірені батареї зберегли 87,5% і 115,9% своєї енергетичної ємності при -40 і 50 C (-40 і 122 F) відповідно.Вони також мали високу кулонівську ефективність 98,2% і 98,7% при цих температурах відповідно, що означає, що батареї можуть пройти більше циклів заряджання і розряджання, перш ніж вони перестануть працювати.
Акумулятори, які розробили Чен і його колеги, стійкі до холоду та тепла завдяки своєму електроліту.Його виготовляють із рідкого розчину дибутилового ефіру, змішаного з сіллю літію.Особливістю дибутилового ефіру є те, що його молекули слабо зв'язуються з іонами літію.Іншими словами, молекули електроліту можуть легко вивільняти іони літію під час роботи акумулятора.Ця слабка молекулярна взаємодія, як виявили дослідники в попередньому дослідженні, покращує продуктивність батареї при мінусовій температурі.Крім того, дибутиловий ефір може легко витримувати тепло, оскільки він залишається рідким при високих температурах (його точка кипіння становить 141 C, або 286 F).
Стабілізуючі літій-сірчані хімікати
Особливістю цього електроліту також є те, що він сумісний із літієво-сірчаною батареєю, яка є типом акумуляторної батареї, яка має анод із металевого літію та катод із сірки.Літій-сірчані батареї є важливою частиною акумуляторних технологій нового покоління, оскільки вони обіцяють вищу щільність енергії та нижчу вартість.Вони можуть накопичувати в два рази більше енергії на кілограм, ніж сучасні літій-іонні батареї — це може подвоїти запас ходу електромобілів без збільшення ваги акумуляторної батареї.Крім того, сірка є більш поширеною та менш проблематичною для отримання, ніж кобальт, який використовується в традиційних катодах літій-іонних батарей.
Але з літій-сірчаними акумуляторами є проблеми.Як катод, так і анод є надреактивними.Сірчані катоди настільки реактивні, що розчиняються під час роботи батареї.Ця проблема посилюється при високих температурах.А металеві літієві аноди схильні до утворення голчастих структур, які називаються дендритами, які можуть пробивати частини батареї, спричиняючи її коротке замикання.У результаті літій-сірчані батареї витримують лише десятки циклів.
«Якщо вам потрібна батарея з високою щільністю енергії, вам зазвичай потрібно використовувати дуже жорстку, складну хімію», — сказав Чен.«Висока енергія означає, що відбувається більше реакцій, що означає меншу стабільність і більшу деградацію.Створення високоенергетичної стабільної батареї — це саме по собі складне завдання — спроба зробити це в широкому діапазоні температур ще складніша».
Електроліт дибутилового ефіру, розроблений командою Каліфорнійського університету в Сан-Дієго, запобігає цим проблемам навіть за високих і низьких температур.Батареї, які вони тестували, мали набагато довший термін служби, ніж звичайна літієво-сірчана батарея.«Наш електроліт допомагає покращити як катодну, так і анодну сторону, забезпечуючи високу провідність і стабільність міжфазної поверхні», — сказав Чен.
Команда також розробила сірчаний катод, щоб він був більш стабільним, прищепивши його до полімеру.Це запобігає розчиненню більшої кількості сірки в електроліті.
Наступні кроки включають збільшення хімічного складу батареї, її оптимізацію для роботи при ще вищих температурах і подальше подовження терміну служби.
Доповідь: «Критерії вибору розчинників для температуростійких літій-сірчаних батарей».Серед співавторів Гуоруй Цай, Джон Голубек, Мінцянь Лі, Хунпен Гао, Іцзі Їнь, Сісен Юй, Хаодун Лю, Тод А. Паскаль і Пін Лю, усі в Каліфорнійському університеті в Сан-Дієго.
Ця робота була підтримана грантом факультету ранньої кар’єри від Програми грантів НАСА для дослідження космічних технологій (ECF 80NSSC18K1512), Національного наукового фонду через Науково-технічний центр Каліфорнійського університету в Сан-Дієго (MRSEC, грант DMR-2011924) та Офісу Vehicle Technologies Міністерства енергетики США через програму Advanced Battery Materials Research Program (консорціум Battery500, контракт DE-EE0007764).Ця робота частково виконана в Інфраструктурі нанотехнологій Сан-Дієго (SDNI) при Каліфорнійському університеті в Сан-Дієго, члені Національної координованої інфраструктури нанотехнологій, яка підтримується Національним науковим фондом (грант ECCS-1542148).
Час публікації: 10 серпня 2022 р