Inžinieri na Kalifornskej univerzite v San Diegu vyvinuli lítium-iónové batérie, ktoré dobre fungujú pri mrazoch a horúčavách a zároveň obsahujú veľa energie.Výskumníci dosiahli tento výkon vyvinutím elektrolytu, ktorý je nielen všestranný a robustný v širokom rozsahu teplôt, ale je tiež kompatibilný s vysokoenergetickou anódou a katódou.
Teplotne odolné batériesú opísané v článku publikovanom týždeň od 4. júla v Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Takéto batérie by mohli umožniť elektrickým vozidlám v chladnom podnebí cestovať ďalej na jedno nabitie;mohli by tiež znížiť potrebu chladiacich systémov, aby sa batérie vozidiel neprehrievali v horúcom podnebí, povedal Zheng Chen, profesor nanoinžinierstva na UC San Diego Jacobs School of Engineering a hlavný autor štúdie.
„Potrebujete prevádzku pri vysokej teplote v oblastiach, kde môže okolitá teplota dosiahnuť trojciferné hodnoty a cesty sú ešte horúcejšie.V elektrických vozidlách sú batérie zvyčajne pod podlahou, blízko týchto horúcich ciest,“ vysvetlil Chen, ktorý je tiež členom fakulty Centra udržateľnej energie a energie UC San Diego.„Akumulátory sa zohrievajú aj tým, že počas prevádzky prechádza prúd.Ak batérie neznesú toto zahrievanie pri vysokej teplote, ich výkon sa rýchlo zníži.“
V testoch si batérie typu proof-of-concept udržali 87,5 % a 115,9 % svojej energetickej kapacity pri teplote -40 a 50 °C (-40 a 122 °F).Mali tiež vysokú coulombickú účinnosť 98,2 % a 98,7 % pri týchto teplotách, čo znamená, že batérie môžu podstúpiť viac cyklov nabíjania a vybíjania, kým prestanú fungovať.
Batérie, ktoré Chen a kolegovia vyvinuli, sú vďaka svojmu elektrolytu odolné voči chladu aj teplu.Je vyrobený z kvapalného roztoku dibutyléteru zmiešaného s lítnou soľou.Zvláštnosťou dibutyléteru je, že jeho molekuly sa slabo viažu na ióny lítia.Inými slovami, molekuly elektrolytu môžu počas chodu batérie ľahko prepustiť lítiové ióny.Táto slabá molekulárna interakcia, ktorú vedci objavili v predchádzajúcej štúdii, zlepšuje výkon batérie pri teplotách pod nulou.Navyše, dibutyléter môže ľahko prijať teplo, pretože zostáva tekutý pri vysokých teplotách (má bod varu 141 C alebo 286 F).
Stabilizácia lítium-sírových chemických látok
Zvláštnosťou tohto elektrolytu je aj to, že je kompatibilný s lítium-sírovou batériou, čo je typ dobíjacej batérie, ktorá má anódu vyrobenú z lítiového kovu a katódu vyrobenú zo síry.Lítium-sírové batérie sú nevyhnutnou súčasťou technológií batérií novej generácie, pretože sľubujú vyššiu hustotu energie a nižšie náklady.Dokážu uložiť až dvakrát viac energie na kilogram ako dnešné lítium-iónové batérie – to by mohlo zdvojnásobiť dojazd elektrických vozidiel bez toho, aby sa zvýšila hmotnosť batérie.Síra je tiež hojnejšia a jej zdroj je menej problematický ako kobalt používaný v tradičných lítium-iónových batériových katódach.
S lítium-sírovými batériami sú však problémy.Katóda aj anóda sú super reaktívne.Sírne katódy sú také reaktívne, že sa rozpúšťajú počas prevádzky batérie.Tento problém sa zhoršuje pri vysokých teplotách.A lítiové kovové anódy sú náchylné na vytváranie ihlovitých štruktúr nazývaných dendrity, ktoré môžu prepichnúť časti batérie a spôsobiť jej skrat.Vďaka tomu vydržia lítium-sírové batérie len desiatky cyklov.
„Ak chcete batériu s vysokou hustotou energie, zvyčajne musíte použiť veľmi drsnú a komplikovanú chémiu,“ povedal Chen.„Vysoká energia znamená, že prebieha viac reakcií, čo znamená menšiu stabilitu, väčšiu degradáciu.Výroba vysokoenergetickej batérie, ktorá je stabilná, je sama o sebe náročná úloha – pokúsiť sa to urobiť v širokom rozsahu teplôt je ešte náročnejšie.“
Dibutyléterový elektrolyt vyvinutý tímom UC San Diego predchádza týmto problémom, dokonca aj pri vysokých a nízkych teplotách.Batérie, ktoré testovali, mali oveľa dlhšiu životnosť ako typická lítium-sírová batéria.„Náš elektrolyt pomáha zlepšovať katódovú aj anódovú stranu a zároveň poskytuje vysokú vodivosť a stabilitu na rozhraní,“ povedal Chen.
Tím tiež skonštruoval sírovú katódu tak, aby bola stabilnejšia jej naočkovaním na polymér.Tým sa zabráni väčšiemu rozpusteniu síry v elektrolyte.
Medzi ďalšie kroky patrí zvýšenie chemického zloženia batérie, jej optimalizácia, aby fungovala pri ešte vyšších teplotách a ďalšie predĺženie životnosti.
Príspevok: „Kritériá výberu rozpúšťadla pre lítium-sírové batérie odolné voči teplote“.Medzi spoluautorov patria Guorui Cai, John Holoubek, Mingqian Li, Hongpeng Gao, Yijie Yin, Sicen Yu, Haodong Liu, Tod A. Pascal a Ping Liu, všetci z UC San Diego.
Táto práca bola podporená grantom Fakulty ranej kariéry z grantového programu NASA pre výskum vesmírnych technológií (ECF 80NSSC18K1512), Národnej vedeckej nadácie prostredníctvom Vedeckého a inžinierskeho centra materiálového výskumu UC San Diego (MRSEC, grant DMR-2011924) a Úradu pre Automobilové technológie Ministerstva energetiky USA prostredníctvom programu Advanced Battery Materials Research Program (Battery500 Consortium, zmluva DE-EE0007764).Táto práca bola vykonaná čiastočne na San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) na UC San Diego, člen National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, ktorý je podporovaný National Science Foundation (grant ECCS-1542148).
Čas odoslania: 10. august 2022