Slabost je snaga niskotemperaturne litijumske baterije

Nanoinženjeri sa Kalifornijskog univerziteta u San Dijegu došli su do novih, temeljnih saznanja o razvoju litijumskih metalnih baterija, koje dobro rade na ultra niskim temperaturama, do -60 stepeni Celzujusa, a koja su zasnovana na principu - što je slabija veza elektrolita sa litijumskim jonima, to je bolje.

Nova, temeljna saznanja o razvoju litijumskih metalnih baterija, koje dobro rade na ultra niskim temperaturama, nanoinženjera sa Kalifornijskog univerziteta u San Dijegu, zasnovana su, uglavnom, na principu – što je slabija veza elektrolita sa litijumskim jonima, to je bolje.

Korišćenjem tako slabo vezujućeg elektrolita, istraživači su razvili litijum-metalnu bateriju koja se može više puta puniti na temperaturama do  minus 60 stepeni Celzijusa, što je dokazano, prvi put, na terenu.

Rad je objavljen u časopisu Nature Energy.

Na testovima je probna baterija zadržala 84% i 76% svog kapaciteta tokom 50 ciklusa na -40, odnosno -60 stepeni Celzijusa. Takve performanse su bez presedana, rekli su istraživači. Ostale litijumske baterije, koje su razvijene za upotrebu pri niskim temperaturama, mogu se isprazniti na hladnom, ali im je potrebna toplota tokom punjenja. To znači da je neophodno na brod uneti dodatne grejače, da bi se ove baterije mogle koristiti u aplikacijama kao što su svemir i istraživanje dubokog mora.

Nova baterija, međutim, može da se puni i prazni na ultra niskoj temperaturi.

Ova saradnja između laboratorija profesora nanoinženjeringa UC San Diego Ping Liua, Zeng Čejna (Zheng Chen) i Toda Paskala (Pascal) predstavlja novi pristup poboljšanju performansi litijum-metalnih baterija na ultra niskoj temperaturi.

Mnogi napori do sada bili su usmereni na odabir elektrolita koji se ne smrzavaju tako lako i koji mogu zadržati brzo kretanje litijumovih jona između elektroda. U ovoj studiji istraživači Univerziteta San Diego otkrili su da nije najvažnije koliko brzo elektrolit može da pokreće jone, već koliko ih lako pušta i taloži na anodu.

Simulirane strukture vezivanja između molekula litijum-jona i elektrolita. Foto: John Holoubek / Nature Energi

„Otkrili smo da vezivanje između litijumovih jona i elektrolita i struktura koje joni unose u elektrolit znače ili život ili smrt ovih baterija pri niskim temperaturama“, rekao je prvi autor Džon (John) Holoubek, dr nanoinženjeringa na fakultetu za elektroinženjering San Diego univerziteta.

Istraživači su došli do ovih otkrića upoređivanjem osobina baterije sa dve vrste elektrolita: jedan koji se slabo vezuje za litijumove jone i onaj koji se jako veže. Litijumske metalne baterije sa slabo vezujućim elektrolitom imale su bolji učinak na -60 stepeni Celzijusa; i dalje je bio jak nakon 50 ciklusa. Nasuprot tome, ćelije sa jako vezujućim elektrolitom prestale su da rade nakon samo dva ciklusa. Nakon propuštanja ćelija kroz više ciklusa, istraživači su ih razdvojili, kako bi uporedili naslage metala litijuma na anodama. Razlike su takođe bile velike. Naslage su bile glatke i jednolike u ćelijama sa slabo vezujućim elektrolitom, ali zrnaste i igličaste u ćelijama sa jako vezujućim elektrolitom.

Detalji su bitni

Istraživači su rekli da se razlike u performansama baterija svode na interakcije nanorazmera.

„Kako litijumovi joni deluju sa elektrolitom na atomskom nivou, ne samo da omogućavaju održivo kretanje na vrlo, vrlo niskim temperaturama, već i sprečavaju stvaranje dendrita“, rekao je Čen. Da bi razumeo zašto, tim je detaljno pogledao ove interakcije koristeći računarske simulacije i spektroskopsku analizu. U jednom od elektrolita, nazvanom dietil etar ( DEE), istraživači su primetili molekularne strukture koje se sastoje od litijumovih jona slabo vezanih za okolne molekule elektrolita. U drugom elektrolitu, nazvanom DOL / DME, istraživači su primetili strukture koje se odlikuju snažnim vezivanjem između jona i molekula elektrolita.

Ove strukture i čvrstoća vezivanja su važne, rekli su istraživači, jer na kraju diktiraju kako se litijum taloži na površini anode pri niskoj temperaturi. U slabo vezanim strukturama, poput onih koje se primećuju u DEE elektrolitu, objasnio je Holoubek, litijumovi joni mogu lako da napuste elektrolit, tako da nije potrebno mnogo energije da bi se oni nataložili bilo gde na površini anode. Zbog toga su naslage glatke i jednolike u DEE. Ali, u čvrsto povezanim strukturama, poput onih u DOL / DME, potrebno je više energije da se litijumovi joni odvoje od elektrolita. Kao rezultat, litijum će se radije taložiti tamo gde površina anode ima izuzetno jako električno polje – bilo gde gde postoji oštar vrh. A litijum će se gomilati na tom vrhu sve dok ćelija ne dođe do kratkog spoja. Zbog toga su depoziti u DOL / DME debeli i dendritični (grč. dendron drvo).

„Otkrivanje različitih tipova molekularnih i atomskih struktura koje litijum stvara, kako se litijum koordinira sa određenim atomima – ovi detalji su bitni“, rekao je Pascal, koji je vodio računarske studije. „Osnovnim razumevanjem kako se ovi sistemi spajaju, možemo doći do svih vrsta novih principa dizajna za sledeću generaciju sistema za skladištenje energije. Ovaj rad pokazuje snagu nanoinženjeringa, gde otkrivanje onoga što se dešava u malim razmerama omogućava dizajn uređaja u velikim razmerama.“

Kompatibilna katoda

Ova osnovna saznanja omogućila su timu da dizajnira katodu koja je kompatibilna sa elektrolitima i anodom za performanse na niskim temperaturama. To je katoda na bazi sumpora, napravljena od materijala koji su jeftini, obilni i bezopasni po životnu sredinu – ne koriste se skupi metali.

„Značaj ovog rada je zaista dvostruk“, rekao je Liu, čija je laboratorija dizajnirala katodu i optimizirala je ciklične performanse takve katode u DEE za normalne uslove. „Naučno, ona predstavlja saznanja koja su u suprotnosti sa uobičajenom mudrošću. Tehnološki, to je prva punjiva litijum-metalna baterija koja može da pruži značajnu gustinu energije dok u potpunosti radi na -60 C. Oba aspekta predstavljaju kompletno rešenje za baterije na vrlo niskim temperaturama.

Izvor: Technology.org

Share on facebook
Facebook
Share on twitter
Twitter
Share on linkedin
LinkedIn
Share on email
Email
Share on print
Odštampaj

Ostavite odgovor

Vaša adresa e-pošte neće biti objavljena.

Logo

Newsletter

Možda će Vam se svideti:

Logo

Energija Balkana

Newsletter

Nedeljni pregled vesti