California San Diego ülikooli insenerid on välja töötanud liitiumioonakud, mis toimivad hästi külmetava ja kõrvetava temperatuuriga ning pakavad palju energiat.Teadlased saavutasid selle saavutuse, töötades välja elektrolüüdi, mis pole mitte ainult mitmekülgne ja vastupidav laias temperatuurivahemikus, vaid ühildub ka suure energiaga anoodi ja katoodiga.
Temperatuurikindlad akudon kirjeldatud artiklis, mis avaldati 4. juulil ajakirjas Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Sellised akud võiksid võimaldada elektrisõidukitel külmas kliimas ühe laadimisega kaugemale sõita;need võivad vähendada ka vajadust jahutussüsteemide järele, et hoida sõidukite akusid kuumas kliimas ülekuumenemise eest, ütles Zheng Chen, UC San Diego Jacobsi tehnikakooli nanotehnoloogia professor ja uuringu vanemautor.
"Te vajate kõrge temperatuuriga töötamist piirkondades, kus ümbritseva õhu temperatuur võib ulatuda kolmekohalise numbrini ja teed lähevad veelgi kuumaks.Elektrisõidukites on akud tavaliselt põranda all, nende kuumade teede lähedal,” selgitas Chen, kes on ka UC San Diego säästva energia ja energia keskuse õppejõud."Samuti soojenevad akud töötamise ajal voolu läbimisest.Kui akud ei talu seda kõrgel temperatuuril soojenemist, halveneb nende jõudlus kiiresti.
Testides säilitasid kontseptsioonikindlad akud vastavalt 87,5% ja 115,9% oma energiamahutavusest temperatuuril -40 ja 50 C (-40 ja 122 F).Nendel temperatuuridel oli ka kõrge kuloniline kasutegur, vastavalt 98,2% ja 98,7%, mis tähendab, et akud võivad enne töötamise lõpetamist läbida rohkem laadimis- ja tühjenemistsükleid.
Cheni ja tema kolleegide välja töötatud akud taluvad tänu elektrolüüdile nii külma kui kuuma.See on valmistatud dibutüüleetri vedelast lahusest, mis on segatud liitiumisoolaga.Dibutüüleetri eripära on see, et selle molekulid seostuvad nõrgalt liitiumioonidega.Teisisõnu, elektrolüüdi molekulid võivad aku töötamise ajal liitiumioonidest kergesti lahti lasta.See nõrk molekulaarne interaktsioon, mille teadlased avastasid eelmises uuringus, parandab aku jõudlust miinustemperatuuridel.Lisaks võib dibutüüleeter kergesti kuumust võtta, kuna see jääb kõrgel temperatuuril vedelaks (selle keemistemperatuur on 141 C või 286 F).
Liitium-väävli keemia stabiliseerimine
Selle elektrolüüdi eripära on ka see, et see ühildub liitium-väävelakuga, mis on teatud tüüpi laetav aku, millel on liitiummetallist anood ja väävlist katood.Liitium-väävelakud on järgmise põlvkonna akutehnoloogiate oluline osa, kuna need lubavad suuremat energiatihedust ja madalamaid kulusid.Need suudavad salvestada kuni kaks korda rohkem energiat kilogrammi kohta kui tänapäeva liitium-ioonakud – see võib kahekordistada elektrisõidukite sõiduulatust ilma akupaketi kaalu suurenemiseta.Samuti on väävlit rikkalikum ja vähem problemaatiline kui traditsioonilistes liitiumioonakude katoodides kasutatav koobalt.
Kuid liitium-väävelakudega on probleeme.Nii katood kui ka anood on ülireaktiivsed.Väävelkatoodid on nii reaktiivsed, et lahustuvad aku töötamise ajal.See probleem süveneb kõrgetel temperatuuridel.Ja liitiummetalli anoodid on altid moodustama nõelalaadseid struktuure, mida nimetatakse dendriitideks, mis võivad aku osi läbi torgata, põhjustades selle lühise.Selle tulemusena peavad liitium-väävelakud vastu vaid kümneid tsükleid.
"Kui soovite suure energiatihedusega akut, peate tavaliselt kasutama väga karmi ja keerulist keemiat, " ütles Chen."Suur energia tähendab, et toimub rohkem reaktsioone, mis tähendab vähem stabiilsust, rohkem lagunemist.Stabiilse suure energiatarbega aku valmistamine on iseenesest keeruline ülesanne – seda laias temperatuurivahemikus teha on veelgi keerulisem.
UC San Diego meeskonna poolt välja töötatud dibutüüleetri elektrolüüt hoiab ära need probleemid isegi kõrgetel ja madalatel temperatuuridel.Nende testitud akude eluiga oli palju pikem kui tavalisel liitium-väävelakul."Meie elektrolüüt aitab parandada nii katoodi- kui ka anoodipoolt, tagades samal ajal kõrge juhtivuse ja liidese stabiilsuse," ütles Chen.
Meeskond kujundas ka väävelkatoodi stabiilsemaks, pookides selle polümeerile.See hoiab ära suurema väävli lahustumise elektrolüüti.
Järgmised sammud hõlmavad aku keemilise koostise suurendamist, selle optimeerimist töötama veelgi kõrgematel temperatuuridel ja tsükli eluea edasist pikendamist.
Referaat: "Temperatuurikindlate liitiumväävelpatareide lahusti valimise kriteeriumid."Kaasautorite hulka kuuluvad Guorui Cai, John Holoubek, Mingqian Li, Hongpeng Gao, Yijie Yin, Sicen Yu, Haodong Liu, Tod A. Pascal ja Ping Liu, kõik ülikoolis San Diego.
Seda tööd toetasid NASA kosmosetehnoloogia uurimistoetuste programmi (ECF 80NSSC18K1512), riikliku teadusfondi kaudu UC San Diego materjaliuuringute teadus- ja tehnikakeskuse kaudu (MRSEC, stipendium DMR-2011924) antav varajase karjääri teaduskonna stipendium ja USA büroo. USA energeetikaministeeriumi sõidukitehnoloogiad täiustatud akumaterjalide uurimisprogrammi kaudu (Battery500 konsortsium, leping DE-EE0007764).See töö viidi osaliselt läbi San Diego nanotehnoloogia infrastruktuuris (SDNI) UC San Diegos, mis on riikliku nanotehnoloogia koordineeritud infrastruktuuri liige, mida toetab riiklik teadusfond (toetus ECCS-1542148).
Postitusaeg: august 10-2022