Ingeniører ved University of California San Diego har utviklet litium-ion-batterier som yter godt ved iskalde og brennhete temperaturer, samtidig som de pakker mye energi.Forskerne oppnådde denne bragden ved å utvikle en elektrolytt som ikke bare er allsidig og robust gjennom et bredt temperaturområde, men også kompatibel med en høyenergianode og katode.
De temperaturbestandige batterieneer beskrevet i en artikkel publisert uken 4. juli i Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Slike batterier kan tillate elektriske kjøretøy i kaldt klima å reise lenger på en enkelt lading;de kan også redusere behovet for kjølesystemer for å forhindre at kjøretøyenes batteripakker overopphetes i varmt klima, sa Zheng Chen, professor i nanoingeniør ved UC San Diego Jacobs School of Engineering og seniorforfatter av studien.
«Du trenger høytemperaturdrift i områder der omgivelsestemperaturen kan nå de tre sifrene og veiene blir enda varmere.I elektriske kjøretøy er batteripakkene vanligvis under gulvet, nær disse varme veiene,” forklarte Chen, som også er fakultetsmedlem ved UC San Diego Sustainable Power and Energy Center."Batterier varmes også opp bare fra å ha strøm gjennom under drift.Hvis batteriene ikke tåler denne oppvarmingen ved høy temperatur, vil ytelsen raskt forringes."
I tester beholdt proof-of-concept-batteriene 87,5 % og 115,9 % av energikapasiteten ved henholdsvis -40 og 50 C (-40 og 122 F).De hadde også høy Coulombic-effektivitet på henholdsvis 98,2 % og 98,7 % ved disse temperaturene, noe som betyr at batteriene kan gjennomgå flere lade- og utladingssykluser før de slutter å virke.
Batteriene som Chen og kollegene utviklet er både kulde- og varmetolerante takket være elektrolytten deres.Den er laget av en flytende løsning av dibutyleter blandet med et litiumsalt.En spesiell egenskap ved dibutyleter er at dens molekyler binder seg svakt til litiumioner.Med andre ord kan elektrolyttmolekylene lett gi slipp på litiumioner mens batteriet går.Denne svake molekylære interaksjonen, forskerne hadde oppdaget i en tidligere studie, forbedrer batteriytelsen ved minusgrader.I tillegg kan dibutyleter lett ta varmen fordi den forblir flytende ved høye temperaturer (den har et kokepunkt på 141 C, eller 286 F).
Stabiliserende litium-svovelkjemi
Det som også er spesielt med denne elektrolytten er at den er kompatibel med et litium-svovel-batteri, som er en type oppladbart batteri som har en anode laget av litiummetall og en katode laget av svovel.Litium-svovel-batterier er en viktig del av neste generasjons batteriteknologi fordi de lover høyere energitetthet og lavere kostnader.De kan lagre opptil to ganger mer energi per kilo enn dagens litium-ion-batterier - dette kan doble rekkevidden til elektriske kjøretøy uten noen økning i vekten på batteripakken.Svovel er også mer rikelig og mindre problematisk å kilde enn kobolt som brukes i tradisjonelle litiumionbatterikatoder.
Men det er problemer med litium-svovel-batterier.Både katoden og anoden er superreaktive.Svovelkatoder er så reaktive at de løses opp under batteridrift.Dette problemet blir verre ved høye temperaturer.Og litiummetallanoder er tilbøyelige til å danne nållignende strukturer kalt dendritter som kan stikke hull på deler av batteriet og få det til å kortslutte.Som et resultat varer litium-svovelbatterier bare opptil titalls sykluser.
"Hvis du vil ha et batteri med høy energitetthet, må du vanligvis bruke veldig hard, komplisert kjemi," sa Chen."Høy energi betyr at flere reaksjoner skjer, noe som betyr mindre stabilitet, mer nedbrytning.Å lage et høyenergibatteri som er stabilt er en vanskelig oppgave i seg selv - å prøve å gjøre dette gjennom et bredt temperaturområde er enda mer utfordrende."
Dibutyleterelektrolytten utviklet av UC San Diego-teamet forhindrer disse problemene, selv ved høye og lave temperaturer.Batteriene de testet hadde mye lengre levetid enn et typisk litium-svovelbatteri."Vår elektrolytt bidrar til å forbedre både katodesiden og anodesiden samtidig som den gir høy ledningsevne og grensesnittstabilitet," sa Chen.
Teamet konstruerte også svovelkatoden for å være mer stabil ved å pode den til en polymer.Dette forhindrer at mer svovel løses opp i elektrolytten.
De neste trinnene inkluderer å skalere opp batterikjemien, optimalisere den for å fungere ved enda høyere temperaturer og forlenge syklusens levetid ytterligere.
Papir: "Løsningsmiddelvalgkriterier for temperaturbestandige litium-svovelbatterier."Medforfattere inkluderer Guorui Cai, John Holoubek, Mingqian Li, Hongpeng Gao, Yijie Yin, Sicen Yu, Haodong Liu, Tod A. Pascal og Ping Liu, alle ved UC San Diego.
Dette arbeidet ble støttet av et Early Career Faculty-stipend fra NASAs Space Technology Research Grants Program (ECF 80NSSC18K1512), National Science Foundation gjennom UC San Diego Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC, tilskudd DMR-2011924), og kontoret til Kjøretøyteknologi fra det amerikanske energidepartementet gjennom Advanced Battery Materials Research Program (Battery500 Consortium, kontrakt DE-EE0007764).Dette arbeidet ble delvis utført ved San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) ved UC San Diego, et medlem av National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, som er støttet av National Science Foundation (stipend ECCS-1542148).
Innleggstid: 10. august 2022