Inżynierowie z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego opracowali akumulatory litowo-jonowe, które dobrze sprawdzają się w mroźnych i upalnych temperaturach, jednocześnie pakując dużo energii.Naukowcy dokonali tego wyczynu, opracowując elektrolit, który jest nie tylko wszechstronny i wytrzymały w szerokim zakresie temperatur, ale także kompatybilny z anodą i katodą o wysokiej energii.
Baterie odporne na temperaturęsą opisane w artykule opublikowanym w tygodniu 4 lipca w Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Takie baterie mogą pozwolić pojazdom elektrycznym w zimnym klimacie podróżować dalej na jednym ładowaniu;Mogą również zmniejszyć zapotrzebowanie na systemy chłodzenia, aby zapobiec przegrzaniu akumulatorów pojazdów w gorącym klimacie, powiedział Zheng Chen, profesor nanoinżynierii w UC San Diego Jacobs School of Engineering i starszy autor badania.
„Potrzebujesz pracy w wysokich temperaturach w obszarach, w których temperatura otoczenia może osiągnąć trzycyfrowe wartości, a drogi stają się jeszcze gorętsze.W pojazdach elektrycznych akumulatory zazwyczaj znajdują się pod podłogą, w pobliżu gorących dróg” – wyjaśnił Chen, który jest również członkiem wydziału Centrum Zrównoważonej Mocy i Energii Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego.„Ponadto akumulatory nagrzewają się od samego przepływu prądu podczas pracy.Jeśli akumulatory nie tolerują tego rozgrzania w wysokiej temperaturze, ich wydajność szybko się pogorszy.”
W testach baterie typu „proof-of-concept” zachowały 87,5% i 115,9% swojej pojemności energetycznej odpowiednio w temperaturze -40 i 50 C (-40 i 122 F).Miały również wysoką sprawność kulombowską, odpowiednio 98,2% i 98,7% w tych temperaturach, co oznacza, że akumulatory mogą przejść więcej cykli ładowania i rozładowania, zanim przestaną działać.
Baterie opracowane przez Chen i współpracowników są odporne na zimno i ciepło dzięki zastosowanemu elektrolitowi.Wykonany jest z ciekłego roztworu eteru dibutylowego zmieszanego z solą litu.Szczególną cechą eteru dibutylowego jest to, że jego cząsteczki słabo wiążą się z jonami litu.Innymi słowy, cząsteczki elektrolitu mogą łatwo uwolnić jony litu podczas pracy baterii.Ta słaba interakcja molekularna, jak odkryli naukowcy w poprzednim badaniu, poprawia wydajność baterii w temperaturach poniżej zera.Ponadto eter dibutylowy może z łatwością przyjąć ciepło, ponieważ pozostaje płynny w wysokich temperaturach (ma temperaturę wrzenia 141 C lub 286 F).
Stabilizująca chemia litowo-siarkowa
Cechą szczególną tego elektrolitu jest również kompatybilność z akumulatorem litowo-siarkowym, który jest rodzajem akumulatora, który ma anodę wykonaną z litu metalicznego i katodę wykonaną z siarki.Baterie litowo-siarkowe są istotną częścią technologii akumulatorów nowej generacji, ponieważ obiecują wyższą gęstość energii i niższe koszty.Mogą zmagazynować do dwóch razy więcej energii na kilogram niż dzisiejsze akumulatory litowo-jonowe — może to podwoić zasięg pojazdów elektrycznych bez zwiększania masy zestawu akumulatorów.Ponadto siarka jest bardziej obfita i mniej problematyczna w jej pozyskiwaniu niż kobalt stosowany w tradycyjnych katodach akumulatorów litowo-jonowych.
Ale są problemy z bateriami litowo-siarkowymi.Zarówno katoda, jak i anoda są nadreaktywne.Katody siarkowe są tak reaktywne, że rozpuszczają się podczas pracy akumulatora.Ten problem pogarsza się w wysokich temperaturach.A anody litowo-metalowe mają skłonność do tworzenia igiełkowatych struktur zwanych dendrytami, które mogą przebijać części baterii, powodując jej zwarcie.W rezultacie baterie litowo-siarkowe wytrzymują tylko kilkadziesiąt cykli.
„Jeśli chcesz mieć baterię o dużej gęstości energii, zazwyczaj musisz użyć bardzo surowej, skomplikowanej chemii” – powiedział Chen.„Wysoka energia oznacza, że zachodzi więcej reakcji, co oznacza mniejszą stabilność, większą degradację.Wytworzenie stabilnego akumulatora o wysokiej energii jest samo w sobie trudnym zadaniem — próba zrobienia tego w szerokim zakresie temperatur jest jeszcze większym wyzwaniem”.
Elektrolit eteru dibutylowego opracowany przez zespół UC San Diego zapobiega tym problemom, nawet w wysokich i niskich temperaturach.Testowane przez nich akumulatory miały znacznie dłuższą żywotność rowerową niż typowa bateria litowo-siarkowa.„Nasz elektrolit pomaga poprawić zarówno stronę katodową, jak i anodową, zapewniając jednocześnie wysoką przewodność i stabilność międzyfazową” – powiedział Chen.
Zespół zaprojektował również bardziej stabilną katodę siarkową poprzez szczepienie jej na polimerze.Zapobiega to rozpuszczaniu się większej ilości siarki w elektrolicie.
Kolejne kroki obejmują zwiększenie składu chemicznego baterii, zoptymalizowanie jej do pracy w jeszcze wyższych temperaturach i dalsze wydłużenie cyklu życia.
Artykuł: „Kryteria doboru rozpuszczalników dla odpornych na temperaturę akumulatorów litowo-siarkowych”.Współautorami są Guorui Cai, John Holoubek, Mingqian Li, Hongpeng Gao, Yijie Yin, Sicen Yu, Haodong Liu, Tod A. Pascal i Ping Liu, wszyscy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego.
Praca ta była wspierana przez grant Early Career Faculty z NASA's Space Technology Research Grants Program (ECF 80NSSC18K1512), National Science Foundation za pośrednictwem UC San Diego Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC, grant DMR-2011924) oraz Biura Vehicle Technologies Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych w ramach Programu Badań nad Zaawansowanymi Materiałami Akumulatorowymi (Konsorcjum Battery500, umowa DE-EE0007764).Prace te zostały częściowo wykonane w San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego, należącej do National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, wspieranej przez National Science Foundation (grant ECCS-1542148).
Czas publikacji: 10 sierpnia-2022