Kalifornijas Universitātes Sandjego inženieri ir izstrādājuši litija jonu akumulatorus, kas labi darbojas aukstā un karstā temperatūrā, vienlaikus patērējot daudz enerģijas.Pētnieki paveica šo varoņdarbu, izstrādājot elektrolītu, kas ir ne tikai daudzpusīgs un izturīgs plašā temperatūras diapazonā, bet arī saderīgs ar augstas enerģijas anodu un katodu.
Temperatūras izturīgas baterijasir aprakstīti rakstā, kas publicēts 4. jūlijā Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Šādas baterijas ļautu elektriskajiem transportlīdzekļiem aukstā klimatā ar vienu uzlādi pārvietoties tālāk;tie varētu arī samazināt vajadzību pēc dzesēšanas sistēmām, lai neļautu transportlīdzekļu akumulatoru blokiem pārkarst karstā klimatā, sacīja Zheng Chen, nanoinženierijas profesors UC San Diego Jacobs Inženierzinātņu skolā un pētījuma vecākais autors.
“Jums ir nepieciešama darbība augstā temperatūrā vietās, kur apkārtējās vides temperatūra var sasniegt trīsciparu ciparus un ceļi kļūst vēl karstāki.Elektriskajos transportlīdzekļos akumulatoru bloki parasti atrodas zem grīdas, netālu no šiem karstajiem ceļiem,” skaidroja Čens, kurš ir arī UC Sandjego Ilgtspējīgas enerģijas un enerģijas centra mācībspēks.“Tāpat akumulatori uzsilst tikai no strāvas padeves darbības laikā.Ja baterijas nevar izturēt šo uzsilšanu augstā temperatūrā, to veiktspēja ātri pasliktinās.
Testos koncepta akumulatori saglabāja 87,5% un 115,9% no savas enerģijas jaudas attiecīgi -40 un 50 C (-40 un 122 F).Viņiem bija arī augsta kuloniskā efektivitāte attiecīgi 98,2% un 98,7% šajās temperatūrās, kas nozīmē, ka akumulatori var iziet vairāk uzlādes un izlādes ciklu, pirms tie pārstāj darboties.
Čena un kolēģu izstrādātās baterijas ir gan aukstuma, gan karstuma izturīgas, pateicoties to elektrolītam.Tas ir izgatavots no šķidra dibutilētera šķīduma, kas sajaukts ar litija sāli.Dibutilētera īpatnība ir tā, ka tā molekulas vāji saistās ar litija joniem.Citiem vārdiem sakot, elektrolīta molekulas var viegli atbrīvot litija jonus, kad akumulators darbojas.Šī vājā molekulārā mijiedarbība, ko pētnieki bija atklājuši iepriekšējā pētījumā, uzlabo akumulatora veiktspēju zem nulles temperatūrā.Turklāt dibutilēteris var viegli uzņemt siltumu, jo tas paliek šķidrs augstā temperatūrā (tā viršanas temperatūra ir 141 C jeb 286 F).
Stabilizējoša litija-sēra ķīmija
Šī elektrolīta īpašais ir arī tas, ka tas ir savietojams ar litija-sēra akumulatoru, kas ir atkārtoti uzlādējams akumulators, kuram ir no litija metāla izgatavots anods un no sēra izgatavots katods.Litija sēra akumulatori ir būtiska nākamās paaudzes akumulatoru tehnoloģiju sastāvdaļa, jo tie sola lielāku enerģijas blīvumu un zemākas izmaksas.Tie var uzglabāt līdz pat divas reizes vairāk enerģijas uz kilogramu nekā mūsdienu litija jonu akumulatori — tas varētu dubultot elektrisko transportlīdzekļu klāstu, nepalielinot akumulatora svaru.Turklāt sērs ir daudz bagātīgāks un mazāk problemātisks iegūšanai nekā kobalts, ko izmanto tradicionālajos litija jonu akumulatoru katodos.
Bet ir problēmas ar litija sēra akumulatoriem.Gan katods, gan anods ir īpaši reaģējoši.Sēra katodi ir tik reaktīvi, ka tie izšķīst akumulatora darbības laikā.Šī problēma saasinās augstā temperatūrā.Un litija metāla anodiem ir tendence veidot adatai līdzīgas struktūras, ko sauc par dendritiem, kas var caurdurt akumulatora daļas, izraisot īssavienojumu.Rezultātā litija-sēra akumulatori darbojas tikai līdz desmitiem ciklu.
"Ja vēlaties akumulatoru ar augstu enerģijas blīvumu, jums parasti ir jāizmanto ļoti skarba, sarežģīta ķīmija," sacīja Čens."Augsta enerģija nozīmē, ka notiek vairāk reakciju, kas nozīmē mazāku stabilitāti, lielāku degradāciju.Pats par sevi ir sarežģīts uzdevums izveidot stabilu augstas enerģijas akumulatora akumulatoru — mēģināt to izdarīt plašā temperatūras diapazonā ir vēl grūtāk.
UC San Diego komandas izstrādātais dibutilētera elektrolīts novērš šīs problēmas pat augstā un zemā temperatūrā.Viņu pārbaudītajām baterijām bija daudz ilgāks riteņbraukšanas kalpošanas laiks nekā parastajam litija sēra akumulatoram."Mūsu elektrolīts palīdz uzlabot gan katoda pusi, gan anoda pusi, vienlaikus nodrošinot augstu vadītspēju un saskarnes stabilitāti," sacīja Čens.
Komanda arī izstrādāja sēra katodu, lai tas būtu stabilāks, potējot to polimērā.Tas neļauj vairāk sēra izšķīst elektrolītā.
Nākamās darbības ietver akumulatora ķīmiskās sastāva palielināšanu, tā optimizēšanu darbam vēl augstākā temperatūrā un cikla darbības ilguma turpmāku pagarināšanu.
Referāts: “Šīdinātāju izvēles kritēriji temperatūrai izturīgām litija-sēra akumulatoriem.”Līdzautori ir Guorui Cai, John Holoubek, Mingqian Li, Hongpeng Gao, Yijie Yin, Sicen Yu, Haodong Liu, Tod A. Pascal un Ping Liu, visi no UC Sandjego.
Šo darbu atbalstīja agrīnās karjeras fakultātes stipendija no NASA Kosmosa tehnoloģiju pētniecības grantu programmas (ECF 80NSSC18K1512), Nacionālā Zinātnes fonda ar UC Sandjego Materiālu pētniecības zinātnes un inženierijas centra (MRSEC, grants DMR-2011924) un biroja biroja. ASV Enerģētikas departamenta transportlīdzekļu tehnoloģijas, izmantojot uzlaboto akumulatoru materiālu pētniecības programmu (Battery500 konsorcijs, līgums DE-EE0007764).Šis darbs daļēji tika veikts Sandjego nanotehnoloģiju infrastruktūrā (SDNI) UC San Diego, kas ir Nacionālās nanotehnoloģiju koordinētās infrastruktūras dalībnieks, ko atbalsta Nacionālais zinātnes fonds (grants ECCS-1542148).
Publicēšanas laiks: 10. augusts 2022