Μηχανικοί στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Σαν Ντιέγκο ανέπτυξαν μπαταρίες ιόντων λιθίου που αποδίδουν καλά σε παγωμένο κρύο και καυτές θερμοκρασίες, ενώ συγκεντρώνουν πολλή ενέργεια.Οι ερευνητές πέτυχαν αυτό το κατόρθωμα αναπτύσσοντας έναν ηλεκτρολύτη που δεν είναι μόνο ευέλικτος και ανθεκτικός σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών, αλλά και συμβατός με άνοδο και κάθοδο υψηλής ενέργειας.
Οι μπαταρίες ανθεκτικές στη θερμοκρασίαπεριγράφονται σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε την εβδομάδα της 4ης Ιουλίου στο Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Τέτοιες μπαταρίες θα μπορούσαν να επιτρέψουν στα ηλεκτρικά οχήματα σε ψυχρά κλίματα να ταξιδεύουν μακρύτερα με μία μόνο φόρτιση.Θα μπορούσαν επίσης να μειώσουν την ανάγκη για συστήματα ψύξης για να αποτρέψουν την υπερθέρμανση των μπαταριών των οχημάτων σε ζεστά κλίματα, δήλωσε ο Zheng Chen, καθηγητής νανομηχανικής στο UC San Diego Jacobs School of Engineering και ανώτερος συγγραφέας της μελέτης.
«Χρειάζεστε λειτουργία υψηλής θερμοκρασίας σε περιοχές όπου η θερμοκρασία περιβάλλοντος μπορεί να φτάσει τα τριψήφια ψηφία και οι δρόμοι ζεσταίνονται ακόμη περισσότερο.Στα ηλεκτρικά οχήματα, οι μπαταρίες είναι συνήθως κάτω από το πάτωμα, κοντά σε αυτούς τους ζεστούς δρόμους», εξήγησε ο Τσεν, ο οποίος είναι επίσης μέλος ΔΕΠ του UC San Diego Sustainable Power and Energy Center.«Επίσης, οι μπαταρίες ζεσταίνονται μόνο από το ρεύμα που περνάει κατά τη λειτουργία.Εάν οι μπαταρίες δεν μπορούν να ανεχθούν αυτήν την προθέρμανση σε υψηλή θερμοκρασία, η απόδοσή τους θα υποβαθμιστεί γρήγορα.»
Σε δοκιμές, οι μπαταρίες proof-of-concept διατήρησαν το 87,5% και το 115,9% της ενεργειακής τους χωρητικότητας στους -40 και 50 C (-40 και 122 F), αντίστοιχα.Είχαν επίσης υψηλή απόδοση Coulombic 98,2% και 98,7% σε αυτές τις θερμοκρασίες, αντίστοιχα, πράγμα που σημαίνει ότι οι μπαταρίες μπορούν να υποστούν περισσότερους κύκλους φόρτισης και εκφόρτισης πριν σταματήσουν να λειτουργούν.
Οι μπαταρίες που ανέπτυξαν ο Chen και οι συνεργάτες του είναι ανθεκτικές στο κρύο και στη θερμότητα χάρη στον ηλεκτρολύτη τους.Είναι κατασκευασμένο από υγρό διάλυμα διβουτυλαιθέρα αναμεμειγμένο με άλας λιθίου.Ένα ιδιαίτερο χαρακτηριστικό του διβουτυλαιθέρα είναι ότι τα μόριά του συνδέονται ασθενώς με ιόντα λιθίου.Με άλλα λόγια, τα μόρια του ηλεκτρολύτη μπορούν εύκολα να αφήσουν τα ιόντα λιθίου καθώς λειτουργεί η μπαταρία.Αυτή η ασθενής μοριακή αλληλεπίδραση, όπως είχαν ανακαλύψει οι ερευνητές σε προηγούμενη μελέτη, βελτιώνει την απόδοση της μπαταρίας σε θερμοκρασίες κάτω από το μηδέν.Επιπλέον, ο διβουτυλαιθέρας μπορεί εύκολα να πάρει τη θερμότητα επειδή παραμένει υγρός σε υψηλές θερμοκρασίες (έχει σημείο βρασμού 141 C ή 286 F).
Σταθεροποίηση χημικών ουσιών λιθίου-θείου
Αυτό που είναι επίσης ιδιαίτερο με αυτόν τον ηλεκτρολύτη είναι ότι είναι συμβατός με μια μπαταρία λιθίου-θείου, η οποία είναι ένας τύπος επαναφορτιζόμενης μπαταρίας που έχει μια άνοδο από μέταλλο λιθίου και μια κάθοδο από θείο.Οι μπαταρίες λιθίου-θείου αποτελούν ουσιαστικό μέρος των τεχνολογιών μπαταριών επόμενης γενιάς, επειδή υπόσχονται υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα και χαμηλότερο κόστος.Μπορούν να αποθηκεύσουν έως και δύο φορές περισσότερη ενέργεια ανά κιλό από τις σημερινές μπαταρίες ιόντων λιθίου — αυτό θα μπορούσε να διπλασιάσει την εμβέλεια των ηλεκτρικών οχημάτων χωρίς καμία αύξηση στο βάρος της μπαταρίας.Επίσης, το θείο είναι πιο άφθονο και λιγότερο προβληματικό στην πηγή από το κοβάλτιο που χρησιμοποιείται στις παραδοσιακές καθόδους μπαταριών ιόντων λιθίου.
Υπάρχουν όμως προβλήματα με τις μπαταρίες λιθίου-θείου.Τόσο η κάθοδος όσο και η άνοδος είναι εξαιρετικά αντιδραστικά.Οι κάθοδοι θείου είναι τόσο αντιδραστικές που διαλύονται κατά τη λειτουργία της μπαταρίας.Αυτό το πρόβλημα επιδεινώνεται σε υψηλές θερμοκρασίες.Και οι άνοδοι μετάλλων λιθίου είναι επιρρεπείς στο σχηματισμό βελονοειδών δομών που ονομάζονται δενδρίτες που μπορούν να τρυπήσουν μέρη της μπαταρίας, προκαλώντας βραχυκύκλωσή της.Ως αποτέλεσμα, οι μπαταρίες λιθίου-θείου διαρκούν μόνο έως και δεκάδες κύκλους.
«Αν θέλετε μια μπαταρία με υψηλή ενεργειακή πυκνότητα, συνήθως πρέπει να χρησιμοποιήσετε πολύ σκληρή, περίπλοκη χημεία», είπε ο Chen.«Υψηλή ενέργεια σημαίνει ότι συμβαίνουν περισσότερες αντιδράσεις, που σημαίνει λιγότερη σταθερότητα, περισσότερη υποβάθμιση.Η κατασκευή μιας μπαταρίας υψηλής ενέργειας που να είναι σταθερή είναι από μόνη της μια δύσκολη εργασία – η προσπάθεια να γίνει αυτό μέσω ενός μεγάλου εύρους θερμοκρασιών είναι ακόμη πιο δύσκολη».
Ο ηλεκτρολύτης διβουτυλαιθέρα που αναπτύχθηκε από την ομάδα του UC San Diego αποτρέπει αυτά τα προβλήματα, ακόμη και σε υψηλές και χαμηλές θερμοκρασίες.Οι μπαταρίες που δοκίμασαν είχαν πολύ μεγαλύτερη διάρκεια ποδηλασίας από μια τυπική μπαταρία λιθίου-θείου.«Ο ηλεκτρολύτης μας βοηθά στη βελτίωση τόσο της πλευράς της καθόδου όσο και της πλευράς της ανόδου, ενώ παρέχει υψηλή αγωγιμότητα και σταθερότητα στη διεπιφάνεια», δήλωσε ο Chen.
Η ομάδα κατασκεύασε επίσης την κάθοδο θείου ώστε να είναι πιο σταθερή εμβολιάζοντάς την σε ένα πολυμερές.Αυτό αποτρέπει τη διάλυση περισσότερου θείου στον ηλεκτρολύτη.
Τα επόμενα βήματα περιλαμβάνουν την κλιμάκωση της χημείας της μπαταρίας, τη βελτιστοποίησή της ώστε να λειτουργεί σε ακόμη υψηλότερες θερμοκρασίες και περαιτέρω επέκταση της διάρκειας ζωής του κύκλου.
Χαρτί: «Κριτήρια επιλογής διαλύτη για ανθεκτικές στη θερμοκρασία μπαταρίες λιθίου-θείου».Οι συγγραφείς περιλαμβάνουν τους Guorui Cai, John Holoubek, Mingqian Li, Hongpeng Gao, Yijie Yin, Sicen Yu, Haodong Liu, Tod A. Pascal και Ping Liu, όλοι στο UC San Diego.
Αυτή η εργασία υποστηρίχθηκε από επιχορήγηση Early Career Faculty από το Πρόγραμμα Επιχορηγήσεων Διαστημικής Τεχνολογίας της NASA (ECF 80NSSC18K1512), το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών μέσω του Κέντρου Επιστήμης και Μηχανικής Έρευνας Υλικών UC San Diego (MRSEC, επιχορήγηση DMR-2011924) και το Γραφείο του Vehicle Technologies του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ μέσω του Προηγμένου Ερευνητικού Προγράμματος Υλικών Μπαταριών (Battery500 Consortium, σύμβαση DE-EE0007764).Αυτή η εργασία πραγματοποιήθηκε εν μέρει στην Υποδομή Νανοτεχνολογίας του Σαν Ντιέγκο (SDNI) στο UC San Diego, μέλος της Εθνικής Συντονισμένης Υποδομής Νανοτεχνολογίας, η οποία υποστηρίζεται από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών (επιχορήγηση ECCS-1542148).
Ώρα δημοσίευσης: Αύγ-10-2022