Inżynierowie z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego opracowali baterie litowo-jonowe, które sprawdzają się zarówno w mroźnych, jak i w palących temperaturach, a przy tym dostarczają dużo energii. Naukowcy dokonali tego wyczynu poprzez opracowanie elektrolitu, który jest nie tylko uniwersalny i wytrzymały w szerokim zakresie temperatur, ale także kompatybilny z anodą i katodą o wysokiej energii.
Baterie odporne na temperaturę zostały opisane w pracy opublikowanej 4 lipca w Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Takie baterie mogłyby pozwolić pojazdom elektrycznym w zimnym klimacie podróżować dalej na jednym ładowaniu; mogłyby również zmniejszyć potrzebę systemów chłodzenia, aby utrzymać pakiety baterii pojazdów przed przegrzaniem w gorącym klimacie, powiedział Zheng Chen, profesor nanoinżynierii w UC San Diego Jacobs School of Engineering i starszy autor badania.
„Potrzebujesz wysokiej temperatury pracy w obszarach, w których temperatura otoczenia może osiągnąć trzy cyfry, a drogi stają się jeszcze gorętsze. W pojazdach elektrycznych zestawy baterii znajdują się zazwyczaj pod podłogą, blisko tych gorących dróg” – wyjaśnił Chen, który jest również członkiem wydziału UC San Diego Sustainable Power and Energy Center. „Ponadto, akumulatory nagrzewają się od samego przepływu prądu podczas pracy. Jeśli akumulatory nie są w stanie tolerować tego rozgrzania w wysokiej temperaturze, ich wydajność szybko się pogorszy.”
W testach, baterie proof-of-concept zachowały 87,5% i 115,9% swojej pojemności energetycznej w temperaturze -40 i 50 C (-40 i 122 F), odpowiednio. Miały również wysoką wydajność Coulombic odpowiednio 98,2% i 98,7% w tych temperaturach, co oznacza, że baterie mogą przejść więcej cykli ładowania i rozładowania zanim przestaną działać.
Baterie opracowane przez Chena i współpracowników są odporne zarówno na zimno, jak i na ciepło dzięki swojemu elektrolitowi. Jest on wykonany z płynnego roztworu eteru dibutylu zmieszanego z solą litową. Szczególną cechą eteru dibutylu jest to, że jego cząsteczki słabo wiążą się z jonami litu. Innymi słowy, cząsteczki elektrolitu mogą łatwo wypuścić jony litu w trakcie pracy baterii. Ta słaba interakcja molekularna, odkryta przez naukowców w poprzednim badaniu, poprawia wydajność baterii w temperaturach poniżej zera. Ponadto, eter dibutylowy może łatwo przyjąć ciepło, ponieważ pozostaje płynny w wysokich temperaturach (jego temperatura wrzenia wynosi 141 C, czyli 286 F).
Stabilizacja chemii litowo-siarkowej
Szczególną cechą tego elektrolitu jest to, że jest on kompatybilny z bateriami litowo-siarkowymi, które są rodzajem baterii wielokrotnego ładowania, które mają anodę wykonaną z metalu litowego i katodę wykonaną z siarki. Baterie litowo-siarkowe są istotną częścią technologii baterii nowej generacji, ponieważ obiecują większą gęstość energii i niższe koszty. Mogą one przechowywać do dwóch razy więcej energii na kilogram niż dzisiejsze baterie litowo-jonowe – może to podwoić zasięg pojazdów elektrycznych bez zwiększania wagi pakietu baterii. Ponadto, siarka jest bardziej obfita i mniej problematyczna w pozyskiwaniu niż kobalt stosowany w katodach tradycyjnych baterii litowo-jonowych.
Istnieją jednak problemy z bateriami litowo-siarkowymi. Zarówno katoda jak i anoda są super reaktywne. Katody siarkowe są tak reaktywne, że rozpuszczają się podczas pracy baterii. Problem ten pogarsza się w wysokich temperaturach. Anody litowo-metalowe są podatne na tworzenie struktur przypominających igły, zwanych dendrytami, które mogą przebić części baterii, powodując jej zwarcie. W rezultacie, baterie litowo-siarkowe wytrzymują tylko do kilkudziesięciu cykli.
„Jeśli chcesz mieć baterię o dużej gęstości energii, zazwyczaj musisz użyć bardzo surowej, skomplikowanej chemii” – powiedział Chen. „Wysoka energia oznacza, że zachodzi więcej reakcji, co oznacza mniejszą stabilność, więcej degradacji. Stworzenie wysokoenergetycznej baterii, która jest stabilna, jest samo w sobie trudnym zadaniem — próba zrobienia tego w szerokim zakresie temperatur jest jeszcze większym wyzwaniem.”
