Ingenjörer har utvecklat nya energilitiumjonbatterier som fungerar bra i kall kyla och extremt höga temperaturer.
Ingenjörer vid University of California, San Diego (UCSD) har utvecklat nya litiumjonbatterier som fungerar bra i iskalla och varma temperaturer samtidigt som de håller mycket energi. Enligt forskarna uppnåddes denna prestation genom att utveckla en elektrolyt som inte bara är multifunktionell och robust över ett brett temperaturområde, utan också kompatibel med en högenergianod och katod.
De temperaturbeständiga batterierna beskrivs i en artikel som publicerades veckan den 4 juli i tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Batterier baserade på denna teknik kan tillåta elfordon i kallt klimat att färdas längre på en enda laddning. De kan också minska behovet av kylsystem för att förhindra att fordonsbatterier överhettas i varma klimat, säger Zheng Chen, professor i nanoteknik vid UCSD Jacobs School of Engineering och senior författare till studien.
”Du behöver drift med hög temperatur i områden där omgivningstemperaturen kan nå tresiffrigt och vägarna blir ännu varmare. I elektriska fordon är batteripaketen vanligtvis under golvet, nära dessa varma vägar”, förklarade Chen, som också är en UCSD-fakultetsmedlem. Centrum för hållbar energi och kraft. “Dessutom värms batterierna upp bara av att ström passerar under drift. Om batterierna inte tål denna uppvärmning med hög temperatur kommer deras prestanda snabbt att försämras.
Studiens första författare Guorui Cai, en postdoktor i nanoteknik vid UC San Diego, förbereder en battericell för underfrysningstestning. Kredit: David Bylott/University of California San Diego Jacobs School of Engineering
I tester behöll proof-of-concept-batterierna 87,5 % och 115,9 % av sin energikapacitet vid -40 respektive 50 °C (-40 och 122 °F). De har också hög coulomb-effektivitet på 98,2 % respektive 98,7 % vid dessa temperaturer, vilket innebär att batterierna kan gå igenom fler laddnings- och urladdningscykler innan de slutar fungera.
Batterierna som Chen och hans kollegor utvecklade är resistenta mot både kyla och värme, tack vare sin unika elektrolyt. Den är gjord av en flytande lösning av dibutyleter blandad med ett litiumsalt. En egenhet med dibutyleter är att dess molekyler binder svagt till litiumjoner. Med andra ord kan elektrolytmolekyler lätt frigöra litiumjoner medan batteriet är i drift. Denna svaga molekylära interaktion, har forskare tidigare upptäckt studie, förbättrar batteriets prestanda i minusgrader. Dibutyleter kan också lätt absorbera värme eftersom den förblir flytande vid höga temperaturer (den har en kokpunkt på 141 °C eller 286 °F).
Den höga temperaturprestandan hos batteripåsecellerna testas i en ugn som är uppvärmd till 50 °C. Kredit: David Bylott/University of California San Diego Jacobs School of Engineering
Stabiliserande litium-svavel kemikalier
Det speciella med denna elektrolyt är också att den är kompatibel med ett litium-svavelbatteri, vilket är en typ av uppladdningsbart batteri som har en anod av litiummetall och en katod av svavel. Litium-svavelbatterier är en viktig del av nästa generations batteriteknik eftersom de lovar högre energitäthet och lägre kostnader. De kan lagra upp till dubbelt så mycket energi per kilo som dagens litiumjonbatterier – detta kan fördubbla räckvidden för elfordon utan att batterivikten ökar. Dessutom är svavel rikligare och mindre problematisk att få fram än kobolt som används i traditionella litiumjonbatterikatoder.
Men det finns problem med litium-svavelbatterier. Både katoden och anoden är superreaktiva. Svavelkatoder är så reaktiva att de löses upp under batteridrift. Detta problem förvärras vid höga temperaturer. Och litiummetallanoder tenderar att bilda nålliknande strukturer som kallas dendriter som kan tränga igenom delar av batteriet och orsaka kortslutning. Som ett resultat håller litium-svavelbatterier bara upp till tiotals cykler.
Zheng Chen, professor i nanoteknik vid UC San Diego. Kredit: David Bylott/University of California San Diego Jacobs School of Engineering
“Om du vill ha ett batteri med hög energitäthet måste du vanligtvis använda mycket rå, komplex kemi,” sa Chen. “Hög energi betyder att fler reaktioner sker, vilket betyder mindre stabilitet, mer nedbrytning. Att skapa ett högenergibatteri som är stabilt är en svår uppgift i sig – att försöka göra det över ett brett temperaturområde är ännu mer utmanande.”
Dibutyleterelektrolyten som utvecklats av UCSD:s forskargrupp förhindrar dessa problem, även vid höga och låga temperaturer. Batterierna de testade hade en mycket längre livslängd än ett typiskt litium-svavelbatteri. “Vår elektrolyt hjälper till att förbättra både katod- och anodsidorna, samtidigt som den ger hög konduktivitet och ytstabilitet,” sa Chen.
Teamet konstruerade också svavelkatoden för att vara mer stabil genom att ympa den till en polymer. Detta förhindrar att mer svavel löses upp i elektrolyten.
Nästa steg inkluderar att öka batteriets kemi, optimera det för att fungera vid ännu högre temperaturer och förlänga cykelns livslängd ytterligare.
Referens: “Kriterier för urval av lösningsmedel för temperaturbeständiga litium-svavelbatterier.” Medförfattare inkluderar Guorui Cai, John Holoubek, Mingqian Li, Hongpeng Gao, Yijie Yin, Sicen Yu, Haodong Liu, Tod A. Pascal och Ping Liu, alla vid UC San Diego. Proceedings of the National Academy of Sciences.
Detta arbete stöddes av ett tidig karriärfakultetsanslag från[{”attribute=””>NASAsSpaceTechnologyResearchGrantsProgram(ECF80NSSC18K1512)NationalScienceFoundationgenomUCSanDiegoMaterialsResearchScienceandEngineeringCenter(MRSECanslagDMR)-2011924)ochOfficeofVehicleTechnologiesvidUSDepartmentofEnergygenomAdvancedBatteryMaterialsResearchProgram(Battery500ConsortiumkontraktDE-EE0007764)DettaarbeteutfördesdelvisvidSanDiegoNanotechnologyInfrastructure(SDNI)vidUCSanDiegoenmedlemavNationalNanotechnologyCoordinatedInfrastructuresomstödsavNationalScienceFoundation(bidragECCS-1542148)[{”attribute=””>NASA’sSpaceTechnologyResearchGrantsProgram(ECF80NSSC18K1512)theNationalScienceFoundationthroughtheUCSanDiegoMaterialsResearchScienceandEngineeringCenter(MRSECgrantDMR-2011924)andtheOfficeofVehicleTechnologiesoftheUSDepartmentofEnergythroughtheAdvancedBatteryMaterialsResearchProgram(Battery500ConsortiumcontractDE-EE0007764)ThisworkwasperformedinpartattheSanDiegoNanotechnologyInfrastructure(SDNI)atUCSanDiegoamemberoftheNationalNanotechnologyCoordinatedInfrastructurewhichissupportedbytheNationalScienceFoundation(grantECCS-1542148)
