673886040@qq.com
Новые литий-ионные аккумуляторы, которые хорошо работают в палящую жару и сильный холод
Инженеры Калифорнийского университета в Сан-Диего (UCSD) разработали новые литий-ионные батареи, которые хорошо работают при морозе и палящем зное, сохраняя при этом много энергии. По словам исследователей, этот подвиг был достигнут путем разработки электролита, который не только универсален и устойчив в широком диапазоне температур, но также совместим с высокоэнергетическими анодом и катодом.Термостойкие батареи описаны в статье, опубликованной 4 июля в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Аккумуляторы, основанные на этой технологии, могут позволить электромобилям в холодном климате преодолевать большие расстояния 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 при Калифорнийском университете в Сан-Франциско и старший автор исследования.
«Вам нужна высокотемпературная эксплуатация в районах, где температура окружающей среды может достигать трехзначных цифр, а на дорогах становится еще жарче. В электромобилях аккумуляторные батареи обычно находятся под полом, недалеко от этих горячих дорог», — пояснил Чен, который также является преподавателем Центра устойчивой энергетики и энергетики UCSD. «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 температуре -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 уникальному 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 легко выдерживает тепло, поскольку 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 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 исследовательской группой UCSD, 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.
Ссылка: «Критерии выбора растворителя для термостойких 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. Труды Национальной академии наук.
Эта работа была поддержана грантом факультета ранней карьеры в рамках Программы грантов на исследования космических технологий НАСА (ECF 80NSSC18K1512), Национальным научным фондом через Центр материаловедения и инженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего (MRSEC, грант DMR-2011924) и Управлением Vehicle Technologies Министерства энергетики США в рамках Программы перспективных исследований аккумуляторных материалов (Battery500 Consortium, 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).
