Новые литий-ионные аккумуляторы хорошо работают в палящую жару и знойный холод
Термостойкие батареи описаны в статье, опубликованной 4 июля в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
«Аккумуляторы, основанные на этой технологии, позволят 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 UCSD Jacobs и старший автор исследования.
В ходе испытаний экспериментальные батареи сохранили 87,5% и 115,9% своей энергоемкости при температуре -40°C и +50°C соответственно. При этих температурах у них также был высокий кулоновский КПД - 98,2% и 98,7% соответственно, что означает, возможность большего количества циклов заряда и разряда, прежде чем аккумуляторы 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, улучшает работу батареи при отрицательных температурах. Кроме того, дибутиловый эфир может легко выдерживать тепло, поскольку он остается жидким при высоких температурах (его температура кипения составляет 141°C).
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 могут обеспечивать более высокую плотность энергии и более низкую стоимость. Также они могут хранить в два раза больше энергии на килограмм веса, чем современные литий-ионные батареи, что может удвоить запас хода электромобилей без увеличения веса аккумуляторной батареи. Кроме того, сера является более распространенным и менее проблематичным для получения материалом, чем кобальт, используемый в катодах традиционных литий-ионных аккумуляторов.
Однако с литий-серными батареями есть и проблемы. Их катод и анод сверх реактивны. 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 нескольких десятков циклов.
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 спроектировала более стабильный серный катод, привив его к полимеру. Это предотвратило 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.
