Jurutera di University of California San Diego telah membangunkan bateri litium-ion yang berfungsi dengan baik pada suhu sejuk beku dan panas terik, sambil membungkus banyak tenaga.Para penyelidik mencapai kejayaan ini dengan membangunkan elektrolit yang bukan sahaja serba boleh dan teguh sepanjang julat suhu yang luas, tetapi juga serasi dengan anod dan katod tenaga tinggi.
Bateri yang tahan suhuditerangkan dalam kertas kerja yang diterbitkan pada minggu 4 Julai dalam Prosiding Akademi Sains Kebangsaan (PNAS).
Bateri sedemikian boleh membolehkan kenderaan elektrik dalam iklim sejuk bergerak lebih jauh dengan sekali cas;mereka juga boleh mengurangkan keperluan untuk sistem penyejukan untuk memastikan pek bateri kenderaan daripada terlalu panas dalam iklim panas, kata Zheng Chen, seorang profesor kejuruteraan nano di UC San Diego Jacobs School of Engineering dan pengarang kanan kajian itu.
“Anda memerlukan operasi suhu tinggi di kawasan di mana suhu ambien boleh mencapai tiga digit dan jalan raya menjadi lebih panas.Dalam kenderaan elektrik, pek bateri biasanya berada di bawah lantai, berhampiran dengan jalan panas ini,” jelas Chen, yang juga ahli fakulti Pusat Tenaga dan Tenaga Lestari UC San Diego.“Selain itu, bateri menjadi panas hanya kerana dialirkan arus semasa operasi.Jika bateri tidak dapat bertolak ansur dengan pemanasan ini pada suhu tinggi, prestasinya akan merosot dengan cepat.”
Dalam ujian, bateri bukti konsep mengekalkan 87.5% dan 115.9% kapasiti tenaganya masing-masing pada -40 dan 50 C (-40 dan 122 F).Mereka juga mempunyai kecekapan Coulombic yang tinggi masing-masing sebanyak 98.2% dan 98.7% pada suhu ini, yang bermaksud bateri boleh menjalani lebih banyak kitaran cas dan nyahcas sebelum ia berhenti berfungsi.
Bateri yang dibangunkan oleh Chen dan rakan sekerja adalah tahan sejuk dan haba berkat elektrolitnya.Ia diperbuat daripada larutan cecair dibutil eter bercampur dengan garam litium.Ciri khas tentang dibutil eter ialah molekulnya terikat lemah kepada ion litium.Dalam erti kata lain, molekul elektrolit boleh dengan mudah melepaskan ion litium semasa bateri berjalan.Interaksi molekul yang lemah ini, para penyelidik telah menemui dalam kajian terdahulu, meningkatkan prestasi bateri pada suhu sub-sifar.Selain itu, dibutil eter boleh mengambil haba dengan mudah kerana ia kekal cair pada suhu tinggi (ia mempunyai takat didih 141 C, atau 286 F).
Menstabilkan kimia litium-sulfur
Apa yang istimewa juga tentang elektrolit ini ialah ia serasi dengan bateri litium-sulfur, iaitu sejenis bateri boleh dicas semula yang mempunyai anod yang diperbuat daripada logam litium dan katod yang diperbuat daripada sulfur.Bateri litium-sulfur adalah bahagian penting dalam teknologi bateri generasi akan datang kerana ia menjanjikan kepadatan tenaga yang lebih tinggi dan kos yang lebih rendah.Mereka boleh menyimpan sehingga dua kali lebih banyak tenaga bagi setiap kilogram daripada bateri litium-ion hari ini — ini boleh menggandakan julat kenderaan elektrik tanpa sebarang peningkatan dalam berat pek bateri.Juga, sulfur lebih banyak dan kurang bermasalah untuk sumbernya daripada kobalt yang digunakan dalam katod bateri lithium-ion tradisional.
Tetapi terdapat masalah dengan bateri litium-sulfur.Kedua-dua katod dan anod adalah super reaktif.Katod sulfur sangat reaktif sehingga larut semasa operasi bateri.Isu ini menjadi lebih teruk pada suhu tinggi.Dan anod logam litium terdedah kepada membentuk struktur seperti jarum yang dipanggil dendrit yang boleh menembusi bahagian bateri, menyebabkan ia menjadi litar pintas.Akibatnya, bateri litium-sulfur hanya bertahan sehingga puluhan kitaran.
"Jika anda mahukan bateri dengan ketumpatan tenaga yang tinggi, anda biasanya perlu menggunakan bahan kimia yang sangat keras dan rumit," kata Chen."Tenaga tinggi bermakna lebih banyak tindak balas berlaku, yang bermakna kurang kestabilan, lebih banyak kemerosotan.Membuat bateri bertenaga tinggi yang stabil adalah tugas yang sukar itu sendiri — cuba melakukan ini melalui julat suhu yang luas adalah lebih mencabar."
Elektrolit dibutil eter yang dibangunkan oleh pasukan UC San Diego menghalang isu ini, walaupun pada suhu tinggi dan rendah.Bateri yang mereka uji mempunyai hayat berbasikal yang lebih lama daripada bateri litium-sulfur biasa."Elektrolit kami membantu meningkatkan kedua-dua bahagian katod dan bahagian anod sambil memberikan kekonduksian tinggi dan kestabilan antara muka," kata Chen.
Pasukan itu juga merekayasa katod sulfur untuk menjadi lebih stabil dengan mencantumkannya kepada polimer.Ini menghalang lebih banyak sulfur daripada larut ke dalam elektrolit.
Langkah seterusnya termasuk meningkatkan kimia bateri, mengoptimumkannya untuk berfungsi pada suhu yang lebih tinggi dan melanjutkan hayat kitaran.
Kertas: "Kriteria pemilihan pelarut untuk bateri litium-sulfur yang tahan suhu."Pengarang bersama termasuk Guorui Cai, John Holoubek, Mingqian Li, Hongpeng Gao, Yijie Yin, Sicen Yu, Haodong Liu, Tod A. Pascal dan Ping Liu, semuanya di UC San Diego.
Kerja ini disokong oleh geran Fakulti Kerjaya Awal daripada Program Geran Penyelidikan Teknologi Angkasa NASA (ECF 80NSSC18K1512), Yayasan Sains Kebangsaan melalui Pusat Sains dan Kejuruteraan Penyelidikan Bahan UC San Diego (MRSEC, geran DMR-2011924), dan Pejabat Teknologi Kenderaan Jabatan Tenaga AS melalui Program Penyelidikan Bahan Bateri Lanjutan (Konsortium Bateri500, kontrak DE-EE0007764).Kerja ini dilakukan sebahagiannya di San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) di UC San Diego, ahli Infrastruktur Terselaras Nanoteknologi Kebangsaan, yang disokong oleh Yayasan Sains Kebangsaan (memberi ECCS-1542148).
Masa siaran: 10 Ogos 2022