California San Diego Üniversitesi'ndeki mühendisler, çok fazla enerji toplarken dondurucu soğukta ve kavurucu sıcaklarda iyi performans gösteren lityum iyon piller geliştirdiler.Araştırmacılar, geniş bir sıcaklık aralığında yalnızca çok yönlü ve sağlam olmakla kalmayıp aynı zamanda yüksek enerjili anot ve katotla uyumlu bir elektrolit geliştirerek bu başarıya ulaştılar.
Sıcaklığa dayanıklı pillerProceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) dergisinde 4 Temmuz haftasında yayınlanan bir makalede açıklanmıştır.
Bu tür piller, soğuk iklimlerde elektrikli araçların tek bir şarjla daha uzağa gitmesini sağlayabilir;UC San Diego Jacobs Mühendislik Okulu'nda nanomühendislik profesörü ve çalışmanın kıdemli yazarı Zheng Chen, araçların akü paketlerinin sıcak iklimlerde aşırı ısınmasını önlemek için soğutma sistemleri ihtiyacını da azaltabileceğini söyledi.
“Ortam sıcaklığının üç haneli rakamlara ulaşabildiği ve yolların daha da ısındığı alanlarda yüksek sıcaklıkta çalışmaya ihtiyacınız var.Elektrikli araçlarda, pil paketleri tipik olarak yerin altında, bu sıcak yolların yakınındadır,” diye açıklıyor aynı zamanda UC San Diego Sürdürülebilir Güç ve Enerji Merkezi'nin öğretim üyesi olan Chen.“Ayrıca, piller çalışma sırasında sadece bir akım geçtiği için ısınır.Piller bu ısınmayı yüksek sıcaklıkta tolere edemezse, performansları hızla düşecektir.”
Testlerde, kavram kanıtı piller, enerji kapasitelerinin sırasıyla -40 ve 50 C'de (-40 ve 122 F) %87,5 ve %115,9'unu korudu.Ayrıca bu sıcaklıklarda sırasıyla %98,2 ve %98,7 gibi yüksek Coulombic verimlilikleri vardı, bu da pillerin çalışmayı durdurmadan önce daha fazla şarj ve deşarj döngüsüne girebileceği anlamına geliyor.
Chen ve meslektaşlarının geliştirdiği piller, elektrolitleri sayesinde hem soğuğa hem de sıcağa dayanıklıdır.Lityum tuzu ile karıştırılmış sıvı bir dibütil eter çözeltisinden yapılır.Dibütil eterin özel bir özelliği, moleküllerinin lityum iyonlarına zayıf bir şekilde bağlanmasıdır.Başka bir deyişle, elektrolit molekülleri, pil çalışırken lityum iyonlarını kolayca bırakabilir.Araştırmacıların önceki bir çalışmada keşfettiği bu zayıf moleküler etkileşim, sıfırın altındaki sıcaklıklarda pil performansını iyileştiriyor.Ayrıca, dibütil eter, yüksek sıcaklıklarda sıvı kaldığı için ısıyı kolayca alabilir (kaynama noktası 141 C veya 286 F'dir).
Lityum-kükürt kimyalarının stabilize edilmesi
Bu elektrolitin özelliği, lityum metalden yapılmış bir anot ve kükürtten yapılmış bir katoda sahip bir tür şarj edilebilir pil olan lityum-kükürt pil ile uyumlu olmasıdır.Lityum-kükürt piller, daha yüksek enerji yoğunlukları ve daha düşük maliyetler vaat ettikleri için yeni nesil pil teknolojilerinin önemli bir parçasıdır.Günümüzün lityum iyon pillerinden kilogram başına iki kata kadar daha fazla enerji depolayabilirler - bu, pil paketinin ağırlığında herhangi bir artış olmadan elektrikli araçların menzilini ikiye katlayabilir.Ayrıca, kükürt, geleneksel lityum iyon pil katotlarında kullanılan kobalttan daha bol ve kaynak açısından daha az sorunludur.
Ancak lityum-kükürt pillerle ilgili sorunlar var.Hem katot hem de anot süper reaktiftir.Kükürt katotları o kadar reaktiftir ki, pilin çalışması sırasında çözülürler.Bu sorun yüksek sıcaklıklarda daha da kötüleşir.Ve lityum metal anotlar, pilin parçalarını delip kısa devreye neden olabilen dendrit adı verilen iğne benzeri yapılar oluşturmaya eğilimlidir.Sonuç olarak, lityum kükürt piller yalnızca onlarca döngüye kadar dayanır.
Chen, “Yüksek enerji yoğunluğuna sahip bir pil istiyorsanız, genellikle çok sert, karmaşık kimya kullanmanız gerekir” dedi."Yüksek enerji, daha fazla reaksiyonun gerçekleştiği anlamına gelir, bu da daha az stabilite, daha fazla bozulma anlamına gelir.Kararlı yüksek enerjili bir pil yapmak başlı başına zor bir iştir; bunu geniş bir sıcaklık aralığında yapmaya çalışmak daha da zordur."
UC San Diego ekibi tarafından geliştirilen dibütil eter elektrolit, yüksek ve düşük sıcaklıklarda bile bu sorunları önler.Test ettikleri piller, tipik bir lityum-kükürt pilden çok daha uzun çevrim ömrüne sahipti.Chen, "Bizim elektrolitimiz, yüksek iletkenlik ve arayüzey stabilitesi sağlarken hem katot tarafını hem de anot tarafını iyileştirmeye yardımcı oluyor" dedi.
Ekip ayrıca kükürt katodunu bir polimere aşılayarak daha kararlı olacak şekilde tasarladı.Bu, elektrolitte daha fazla kükürtün çözülmesini önler.
Sonraki adımlar, pil kimyasını büyütmeyi, daha da yüksek sıcaklıklarda çalışacak şekilde optimize etmeyi ve çevrim ömrünü daha da uzatmayı içerir.
Kağıt: "Sıcaklığa dayanıklı lityum-kükürt piller için solvent seçim kriterleri."Ortak yazarlar arasında hepsi UC San Diego'da bulunan Guorui Cai, John Holoubek, Mingqian Li, Hongpeng Gao, Yijie Yin, Sicen Yu, Haodong Liu, Tod A. Pascal ve Ping Liu bulunmaktadır.
Bu çalışma, NASA'nın Uzay Teknolojisi Araştırma Hibe Programı'ndan (ECF 80NSSC18K1512) bir Erken Kariyer Fakültesi hibesi, UC San Diego Malzeme Araştırma Bilimi ve Mühendisliği Merkezi (MRSEC, hibe DMR-2011924) aracılığıyla Ulusal Bilim Vakfı ve Ofisi tarafından desteklenmiştir. Gelişmiş Pil Malzemeleri Araştırma Programı aracılığıyla ABD Enerji Bakanlığı'nın Araç Teknolojileri (Battery500 Konsorsiyumu, sözleşme DE-EE0007764).Bu çalışma kısmen, Ulusal Bilim Vakfı (hibe ECCS-1542148) tarafından desteklenen Ulusal Nanoteknoloji Koordineli Altyapının bir üyesi olan UC San Diego'daki San Diego Nanoteknoloji Altyapısında (SDNI) gerçekleştirilmiştir.
Gönderim zamanı: Ağu-10-2022