Ang mga inhinyero sa Unibersidad ng California San Diego ay nakabuo ng mga bateryang lithium-ion na mahusay na gumaganap sa lamig at nakakapasong mainit na temperatura, habang nag-iimpake ng maraming enerhiya.Nagawa ng mga mananaliksik ang gawaing ito sa pamamagitan ng pagbuo ng isang electrolyte na hindi lamang maraming nalalaman at matatag sa isang malawak na hanay ng temperatura, ngunit tugma din sa isang mataas na enerhiya na anode at cathode.
Ang mga baterya na lumalaban sa temperaturaay inilarawan sa isang papel na inilathala noong linggo ng Hulyo 4 sa Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Ang mga naturang baterya ay maaaring magpapahintulot sa mga de-koryenteng sasakyan sa malamig na klima na maglakbay nang mas malayo sa isang singil;maaari din nilang bawasan ang pangangailangan para sa mga sistema ng paglamig upang mapanatili ang mga pack ng baterya ng mga sasakyan mula sa sobrang init sa mainit na klima, sabi ni Zheng Chen, isang propesor ng nanoengineering sa UC San Diego Jacobs School of Engineering at senior author ng pag-aaral.
"Kailangan mo ng mataas na temperatura na operasyon sa mga lugar kung saan ang ambient temperature ay maaaring umabot sa triple digit at ang mga kalsada ay lalong umiinit.Sa mga de-koryenteng sasakyan, ang mga battery pack ay karaniwang nasa ilalim ng sahig, malapit sa mga mainit na kalsadang ito,” paliwanag ni Chen, na isa ring faculty member ng UC San Diego Sustainable Power and Energy Center."Gayundin, ang mga baterya ay umiinit dahil lamang sa pagkakaroon ng kasalukuyang run sa panahon ng operasyon.Kung hindi matitiis ng mga baterya ang warmup na ito sa mataas na temperatura, ang kanilang performance ay mabilis na bababa."
Sa mga pagsubok, ang mga proof-of-concept na baterya ay nagpapanatili ng 87.5% at 115.9% ng kanilang kapasidad ng enerhiya sa -40 at 50 C (-40 at 122 F), ayon sa pagkakabanggit.Mayroon din silang mataas na kahusayan ng Coulombic na 98.2% at 98.7% sa mga temperaturang ito, ayon sa pagkakabanggit, na nangangahulugang ang mga baterya ay maaaring sumailalim sa higit pang mga cycle ng charge at discharge bago sila tumigil sa paggana.
Ang mga baterya na binuo ni Chen at ng mga kasamahan ay parehong malamig at init, salamat sa kanilang electrolyte.Ito ay gawa sa isang likidong solusyon ng dibutyl eter na may halong lithium salt.Ang isang espesyal na tampok tungkol sa dibutyl ether ay ang mga molekula nito ay mahinang nagbubuklod sa mga lithium ions.Sa madaling salita, madaling mabitawan ng mga electrolyte molecule ang mga lithium ions habang tumatakbo ang baterya.Ang mahinang pakikipag-ugnayan ng molekular na ito, natuklasan ng mga mananaliksik sa isang nakaraang pag-aaral, ay nagpapabuti sa pagganap ng baterya sa mga sub-zero na temperatura.Dagdag pa rito, madaling makuha ng dibutyl ether ang init dahil nananatili itong likido sa mataas na temperatura (ito ay may boiling point na 141 C, o 286 F).
Pagpapatatag ng lithium-sulfur chemistries
Ang espesyal din sa electrolyte na ito ay ang pagkakatugma nito sa isang lithium-sulfur na baterya, na isang uri ng rechargeable na baterya na may anode na gawa sa lithium metal at isang cathode na gawa sa sulfur.Ang mga bateryang Lithium-sulfur ay isang mahalagang bahagi ng mga susunod na henerasyong teknolohiya ng baterya dahil nangangako ang mga ito ng mas mataas na densidad ng enerhiya at mas mababang gastos.Maaari silang mag-imbak ng hanggang dalawang beses na mas maraming enerhiya bawat kilo kaysa sa mga bateryang lithium-ion ngayon — maaari nitong doblehin ang hanay ng mga de-koryenteng sasakyan nang walang anumang pagtaas sa bigat ng pack ng baterya.Gayundin, ang sulfur ay mas sagana at hindi gaanong problema sa pinagmulan kaysa sa cobalt na ginagamit sa tradisyonal na lithium-ion na mga cathode ng baterya.
Ngunit may mga problema sa mga baterya ng lithium-sulfur.Parehong ang cathode at anode ay sobrang reaktibo.Ang mga sulfur cathode ay napaka-reaktibo na sila ay natutunaw sa panahon ng pagpapatakbo ng baterya.Lumalala ang isyung ito sa mataas na temperatura.At ang mga lithium metal anode ay madaling makabuo ng mga istrukturang tulad ng karayom na tinatawag na mga dendrite na maaaring tumusok sa mga bahagi ng baterya, na nagiging sanhi ng short-circuit nito.Bilang resulta, ang mga baterya ng lithium-sulfur ay tumatagal lamang ng hanggang sampu-sampung cycle.
"Kung gusto mo ng baterya na may mataas na densidad ng enerhiya, karaniwang kailangan mong gumamit ng masyadong malupit, kumplikadong kimika," sabi ni Chen."Ang mataas na enerhiya ay nangangahulugan ng mas maraming reaksyon ang nangyayari, na nangangahulugan ng mas kaunting katatagan, higit na pagkasira.Ang paggawa ng isang mataas na enerhiya na baterya na matatag ay isang mahirap na gawain mismo - ang pagsisikap na gawin ito sa isang malawak na hanay ng temperatura ay mas mahirap."
Pinipigilan ng dibutyl ether electrolyte na binuo ng UC San Diego team ang mga isyung ito, kahit na sa mataas at mababang temperatura.Ang mga bateryang nasubukan nila ay may mas matagal na buhay sa pagbibisikleta kaysa sa isang karaniwang lithium-sulfur na baterya."Ang aming electrolyte ay nakakatulong na mapabuti ang parehong bahagi ng cathode at anode habang nagbibigay ng mataas na conductivity at interfacial stability," sabi ni Chen.
Ininhinyero din ng koponan ang sulfur cathode upang maging mas matatag sa pamamagitan ng paghugpong nito sa isang polimer.Pinipigilan nito ang mas maraming asupre mula sa pagtunaw sa electrolyte.
Kasama sa mga susunod na hakbang ang pag-scale ng chemistry ng baterya, pag-optimize nito upang gumana sa mas mataas na temperatura at higit pang pagpapahaba ng buhay ng cycle.
Papel: "Mga pamantayan sa pagpili ng solvent para sa mga bateryang lithium-sulfur na nababanat sa temperatura."Kasama sa mga kasamang may-akda sina Guorui Cai, John Holoubek, Mingqian Li, Hongpeng Gao, Yijie Yin, Sicen Yu, Haodong Liu, Tod A. Pascal at Ping Liu, lahat sa UC San Diego.
Ang gawaing ito ay sinusuportahan ng isang Early Career Faculty grant mula sa NASA's Space Technology Research Grants Program (ECF 80NSSC18K1512), ang National Science Foundation sa pamamagitan ng UC San Diego Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC, grant DMR-2011924), at ang Office of Vehicle Technologies ng US Department of Energy sa pamamagitan ng Advanced Battery Materials Research Program (Battery500 Consortium, kontrata DE-EE0007764).Ang gawaing ito ay isinagawa sa bahagi sa San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) sa UC San Diego, isang miyembro ng National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, na sinusuportahan ng National Science Foundation (grant ECCS-1542148).
Oras ng post: Aug-10-2022