تعمل هذه البطاريات المليئة بالطاقة بشكل جيد في البرودة الشديدة والحرارة

طور المهندسون في جامعة كاليفورنيا سان دييغو بطاريات أيونات الليثيوم التي تعمل بشكل جيد في البرودة الشديدة ودرجات الحرارة الحارقة ، مع تعبئة الكثير من الطاقة.حقق الباحثون هذا العمل الفذ من خلال تطوير إلكتروليت ليس فقط متعدد الاستخدامات وقويًا عبر نطاق واسع من درجات الحرارة ، ولكنه متوافق أيضًا مع الأنود والكاثود عالي الطاقة.
البطاريات المقاومة للحرارةموصوفة في ورقة نشرت في أسبوع 4 يوليو في وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم (PNAS).
يمكن لمثل هذه البطاريات أن تسمح للسيارات الكهربائية في الأجواء الباردة بالسفر لمسافة أبعد بشحنة واحدة ؛قال تشنغ تشين ، أستاذ الهندسة النانوية في كلية الهندسة بجامعة كاليفورنيا في سان دييغو جاكوبس وكبير مؤلفي الدراسة ، إن بإمكانهم أيضًا تقليل الحاجة إلى أنظمة التبريد لمنع ارتفاع درجة حرارة حزم بطاريات المركبات في المناخات الحارة.
"تحتاج إلى تشغيل في درجات حرارة عالية في المناطق التي يمكن أن تصل فيها درجة الحرارة المحيطة إلى الأرقام الثلاثة وتكون الطرق فيها أكثر سخونة.وأوضح تشين ، وهو أيضًا عضو هيئة التدريس في مركز الطاقة والطاقة المستدامة بجامعة كاليفورنيا في سان دييغو ، في السيارات الكهربائية ، أن تكون عادةً تحت الأرض ، بالقرب من هذه الطرق الساخنة."أيضًا ، يتم تسخين البطاريات بمجرد مرور تيار أثناء التشغيل.إذا لم تستطع البطاريات تحمل هذا الاحماء عند درجة حرارة عالية ، فسوف يتدهور أداؤها بسرعة ".
في الاختبارات ، احتفظت بطاريات إثبات المفهوم بنسبة 87.5٪ و 115.9٪ من طاقتها عند -40 و 50 درجة مئوية (-40 و 122 فهرنهايت) على التوالي.لديهم أيضًا كفاءة Coulombic عالية تبلغ 98.2٪ و 98.7٪ في درجات الحرارة هذه ، على التوالي ، مما يعني أن البطاريات يمكن أن تخضع لدورات شحن وتفريغ أكثر قبل أن تتوقف عن العمل.
البطاريات التي طورها تشين وزملاؤه تتحمل البرودة والحرارة بفضل إلكتروليتهم.وهي مصنوعة من محلول سائل من ثنائي بيوتيل الأثير ممزوجًا بملح الليثيوم.ميزة خاصة حول ثنائي بيوتيل الأثير هي أن جزيئاته ترتبط بشكل ضعيف بأيونات الليثيوم.بمعنى آخر ، يمكن لجزيئات الإلكتروليت أن تتخلص بسهولة من أيونات الليثيوم أثناء تشغيل البطارية.اكتشف الباحثون في دراسة سابقة أن هذا التفاعل الجزيئي الضعيف يحسن أداء البطارية في درجات حرارة دون الصفر.بالإضافة إلى ذلك ، يمكن للإيثر الثنائي البوتيلي أن يأخذ الحرارة بسهولة لأنه يبقى سائلاً عند درجات حرارة عالية (تبلغ درجة غليانه 141 درجة مئوية ، أو 286 فهرنهايت).
استقرار كيمياء الليثيوم والكبريت
ما يميز هذا الإلكتروليت أيضًا أنه متوافق مع بطارية ليثيوم كبريت ، وهي نوع من البطاريات القابلة لإعادة الشحن التي تحتوي على أنود مصنوع من معدن الليثيوم وكاثود مصنوع من الكبريت.تعد بطاريات الليثيوم الكبريتية جزءًا أساسيًا من تقنيات الجيل التالي للبطاريات لأنها تعد بكثافة طاقة أعلى وتكاليف أقل.يمكنهم تخزين ما يصل إلى ضعف الطاقة لكل كيلوغرام من بطاريات الليثيوم أيون الحالية - وهذا يمكن أن يضاعف نطاق السيارات الكهربائية دون أي زيادة في وزن حزمة البطارية.أيضًا ، الكبريت أكثر وفرة وأقل إشكالية في المصدر من الكوبالت المستخدم في كاثودات بطاريات الليثيوم أيون التقليدية.
لكن هناك مشاكل مع بطاريات الليثيوم الكبريت.كل من الكاثود والأنود متفاعلان للغاية.كاثودات الكبريت شديدة التفاعل بحيث تذوب أثناء تشغيل البطارية.تزداد هذه المشكلة سوءًا في درجات الحرارة المرتفعة.كما أن أنودات الليثيوم المعدنية معرضة لتكوين هياكل تشبه الإبرة تسمى التشعبات التي يمكن أن تخترق أجزاء من البطارية ، مما يتسبب في حدوث قصر في الدائرة الكهربائية.نتيجة لذلك ، تدوم بطاريات الليثيوم-الكبريت فقط حتى عشرات الدورات.
قال تشين: "إذا كنت تريد بطارية ذات كثافة طاقة عالية ، فإنك تحتاج عادةً إلى استخدام مواد كيميائية شديدة الصعوبة ومعقدة"."الطاقة العالية تعني حدوث المزيد من التفاعلات ، مما يعني استقرارًا أقل ، والمزيد من التدهور.إن صنع بطارية عالية الطاقة مستقرة مهمة صعبة بحد ذاتها - محاولة القيام بذلك من خلال نطاق درجات حرارة واسع يمثل تحديًا أكبر ".
يمنع إلكتروليت ثنائي بيوتيل الأثير الذي طوره فريق جامعة كاليفورنيا في سان دييغو هذه المشكلات ، حتى في درجات الحرارة العالية والمنخفضة.البطاريات التي تم اختبارها كانت تدوم أطول بكثير من عمر بطارية الليثيوم-الكبريت النموذجية.قال تشين: "يساعد الإلكتروليت الخاص بنا على تحسين جانب الكاثود وجانب الأنود مع توفير توصيلية عالية واستقرار بيني".
صمم الفريق أيضًا كاثود الكبريت ليكون أكثر استقرارًا عن طريق تطعيمه بالبوليمر.هذا يمنع المزيد من الكبريت من الذوبان في المنحل بالكهرباء.
تشمل الخطوات التالية توسيع نطاق كيميائية البطارية ، وتحسينها للعمل في درجات حرارة أعلى وإطالة عمر الدورة بشكل أكبر.
الورقة: "معايير اختيار المذيبات لبطاريات الليثيوم-الكبريت المقاومة للحرارة."يشمل المؤلفون المشاركون Guorui Cai و John Holoubek و Mingqian Li و Hongpeng Gao و Yijie Yin و Sicen Yu و Haodong Liu و Tod A. Pascal و Ping Liu ، وكلهم في جامعة كاليفورنيا في سان دييغو.
كان هذا العمل مدعومًا بمنحة الكلية المهنية المبكرة من برنامج منح أبحاث تكنولوجيا الفضاء التابع لناسا (ECF 80NSSC18K1512) ، ومؤسسة العلوم الوطنية من خلال مركز علوم وهندسة أبحاث المواد بجامعة كاليفورنيا في سان دييغو (MRSEC ، منحة DMR-2011924) ، ومكتب تقنيات المركبات التابعة لوزارة الطاقة الأمريكية من خلال برنامج أبحاث مواد البطاريات المتقدم (Battery500 Consortium ، العقد DE-EE0007764).تم تنفيذ هذا العمل جزئيًا في البنية التحتية لتقنية النانو في سان دييغو (SDNI) في جامعة كاليفورنيا في سان دييغو ، وهي عضو في البنية التحتية الوطنية المنسقة لتقنية النانو ، والتي تدعمها مؤسسة العلوم الوطنية (منحة ECCS-1542148).