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 аккумуляторыописаны 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 аккумуляторы обычно находятся под полом, недалеко от этих горячих дорог», — пояснил Чен, который также является преподавателем Центра устойчивой энергетики и энергетики Калифорнийского университета в Сан-Диего.«Кроме того, батареи нагреваются просто от того, что во время работы проходит ток.Если аккумуляторы не выдержат 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 ходе предыдущего исследования, повышает производительность 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 — это 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 обычно нужно использовать очень жесткую и сложную химию», — сказал Чен.«Высокая энергия означает, что происходит больше реакций, что означает меньшую стабильность, 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.
Документ: «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.
Эта работа была поддержана грантом факультета ранней карьеры от Программы грантов для исследований космических технологий НАСА (ECF 80NSSC18K1512), Национального научного фонда через Центр материаловедения и инженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего (MRSEC, грант DMR-2011924) и Управления Транспортные технологии Министерства энергетики США в рамках Программы перспективных исследований аккумуляторных материалов (Консорциум Battery500, контракт DE-EE0007764).Эта работа была частично выполнена в Нанотехнологической инфраструктуре Сан-Диего (SDNI) в Калифорнийском университете в Сан-Диего, члене Национальной координируемой инфраструктуры нанотехнологий, которая поддерживается Национальным научным фондом (грант ECCS-1542148).
Время публикации: 10 августа 2022 г.