Разработали литий-ионные аккумуляторы, которые хорошо работают при морозе и палящем зное

Прочитано: 308 раз(а)
1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (1 голосов, среднее: 5,00 из 5)
Loading ... Loading ...


Инженеры Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали литий-ионные аккумуляторы, которые хорошо работают при морозе и палящем зное, сохраняя при этом много энергии. Исследователи совершили этот подвиг, разработав электролит, который не только универсален и надежен в широком диапазоне температур, но также совместим с высокоэнергетическими анодом и катодом.

Термостойкие батареи описаны в статье, опубликованной 4 июля в Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ).

Такие батареи могли бы позволить электромобилям в холодном климате проезжать дальше без подзарядки; они также могут уменьшить потребность в системах охлаждения, чтобы аккумуляторы транспортных средств не перегревались в жарком климате, сказал Чжэн Чен, профессор наноинженерии в Инженерной школе Джейкобса Калифорнийского университета в Сан-Диего и старший автор исследования.

«Вам нужна работа при высоких температурах в районах, где температура окружающей среды может достигать трехзначных цифр, а на дорогах становится еще жарче. В электромобилях аккумуляторные блоки обычно находятся под полом, недалеко от этих горячих дорог», — пояснил Чен, который также преподаватель Центра устойчивой энергетики и энергетики Калифорнийского университета в Сан-Диего. «Кроме того, аккумуляторы нагреваются просто из-за того, что во время работы проходит ток. Если аккумуляторы не могут выдержать такой прогрев при высокой температуре, их производительность быстро ухудшится».

В ходе испытаний экспериментальные батареи сохранили 87,5% и 115,9% своей энергоемкости при -40 и 50°C (-40 и 122°F) соответственно. У них также был высокий кулоновский КПД 98,2% и 98,7% при этих температурах соответственно, что означает, что батареи могут подвергаться большему количеству циклов зарядки и разрядки, прежде чем они перестанут работать.

Батареи, разработанные Ченом и его коллегами, устойчивы как к холоду, так и к жаре благодаря своему электролиту. Он изготовлен из жидкого раствора дибутилового эфира, смешанного с солью лития. Особенностью дибутилового эфира является то, что его молекулы слабо связываются с ионами лития. Другими словами, молекулы электролита могут легко отдавать ионы лития во время работы батареи. Это слабое молекулярное взаимодействие, как обнаружили исследователи в предыдущем исследовании , улучшает работу батареи при отрицательных температурах. Кроме того, дибутиловый эфир может легко выдерживать тепло, потому что он остается жидким при высоких температурах (его температура кипения составляет 141 C или 286 F).

Стабилизирующие литий-серные химические вещества

Что еще особенного в этом электролите, так это то, что он совместим с литий-серной батареей , которая представляет собой тип перезаряжаемой батареи с анодом из металлического лития и катодом из серы. Литий-серные батареи являются неотъемлемой частью аккумуляторных технологий следующего поколения, поскольку они обещают более высокую плотность энергии и более низкую стоимость. Они могут хранить в два раза больше энергии на килограмм, чем современные литий-ионные батареи, что может удвоить запас хода электромобилей без увеличения веса аккумуляторной батареи. Кроме того, сера является более распространенной и менее проблематичной для получения, чем кобальт, используемый в катодах традиционных литий-ионных аккумуляторов.

А вот с литий-серными батареями есть проблемы. И катод, и анод сверхреактивны. Серные катоды настолько реактивны, что растворяются во время работы батареи. Эта проблема усугубляется при высоких температурах. А литий-металлические аноды склонны к образованию игольчатых структур, называемых дендритами, которые могут пробивать части батареи, вызывая ее короткое замыкание. В результате литий-серные батареи работают только до десятков циклов.

«Если вам нужна батарея с высокой плотностью энергии, вам, как правило, нужно использовать очень жесткую и сложную химию», — сказал Чен. «Большая энергия означает, что происходит больше реакций, что означает меньшую стабильность и большую деградацию. Создание стабильной высокоэнергетической батареи само по себе является сложной задачей, а попытка сделать это в широком диапазоне температур еще сложнее».

Электролит на основе дибутилового эфира, разработанный командой Калифорнийского университета в Сан-Диего, предотвращает эти проблемы даже при высоких и низких температурах. Аккумуляторы, которые они тестировали, имели гораздо более длительный срок службы, чем обычные литий-серные аккумуляторы. «Наш электролит помогает улучшить как сторону катода, так и сторону анода, обеспечивая при этом высокую проводимость и межфазную стабильность», — сказал Чен.

Команда также разработала серный катод, чтобы он был более стабильным, привив его к полимеру. Это предотвращает растворение большего количества серы в электролите.

Следующие шаги включают масштабирование химического состава батареи , оптимизацию ее для работы при еще более высоких температурах и дальнейшее увеличение срока службы.

Статья называется «Критерии выбора растворителя для устойчивых к температуре литий-серных аккумуляторов». Соавторами являются Guorui Cai, John Holoubek, Mingqian Li, Hongpeng Gao, Yijie Yin, Sicen Yu, Haodong Liu, Tod A. Pascal и Ping Liu, все из Калифорнийского университета в Сан-Диего.

Исследователи разрабатывают метод 3D-визуализации, чтобы понять, как формируются дендриты в батареях



Новости партнеров