Els enginyers de la Universitat de Califòrnia a San Diego han desenvolupat bateries d'ions de liti que funcionen bé a temperatures molt fredes i calentes, alhora que aporten molta energia.Els investigadors van aconseguir aquesta gesta desenvolupant un electròlit que no només és versàtil i robust en un ampli rang de temperatures, sinó que també és compatible amb un ànode i càtode d'alta energia.
Les bateries resistents a la temperaturaes descriuen en un article publicat la setmana del 4 de juliol a Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Aquestes bateries podrien permetre als vehicles elèctrics en climes freds viatjar més lluny amb una sola càrrega;també podrien reduir la necessitat de sistemes de refrigeració per evitar que les bateries dels vehicles s'escalfin en climes càlids, va dir Zheng Chen, professor de nanoenginyeria a l'Escola d'Enginyeria Jacobs de la UC San Diego i autor principal de l'estudi.
"Necessiteu un funcionament a alta temperatura en zones on la temperatura ambient pot arribar als tres dígits i les carreteres s'escalfen encara més.En els vehicles elèctrics, els paquets de bateries solen estar sota el terra, a prop d'aquestes carreteres calentes", va explicar Chen, que també és membre de la facultat del Centre d'energia i energia sostenible de la UC San Diego."A més, les bateries s'escalfen només per passar un corrent durant el funcionament.Si les bateries no poden tolerar aquest escalfament a alta temperatura, el seu rendiment es degradarà ràpidament".
En les proves, les bateries de prova de concepte van retenir el 87,5% i el 115,9% de la seva capacitat energètica a -40 i 50 C (-40 i 122 F), respectivament.També tenien altes eficiències coulombiques del 98,2% i del 98,7% a aquestes temperatures, respectivament, el que significa que les bateries poden experimentar més cicles de càrrega i descàrrega abans que deixin de funcionar.
Les bateries que Chen i els seus col·legues van desenvolupar són tant tolerants al fred com a la calor gràcies al seu electròlit.Està fet d'una solució líquida d'èter dibutílic barrejat amb una sal de liti.Una característica especial del dibutil èter és que les seves molècules s'uneixen feblement als ions de liti.En altres paraules, les molècules d'electròlits poden deixar anar fàcilment els ions de liti mentre funciona la bateria.Aquesta interacció molecular feble, havien descobert els investigadors en un estudi anterior, millora el rendiment de la bateria a temperatures sota zero.A més, l'èter dibutílic pot agafar la calor fàcilment perquè es manté líquid a altes temperatures (té un punt d'ebullició de 141 C o 286 F).
Estabilització de la química liti-sofre
El que també té d'especial aquest electròlit és que és compatible amb una bateria de sofre de liti, que és un tipus de bateria recarregable que té un ànode de metall de liti i un càtode de sofre.Les bateries de sofre de liti són una part essencial de les tecnologies de bateries de nova generació perquè prometen densitats d'energia més altes i costos més baixos.Poden emmagatzemar fins a dues vegades més energia per quilo que les bateries d'ió de liti actuals; això podria duplicar l'autonomia dels vehicles elèctrics sense augmentar el pes de la bateria.A més, el sofre és més abundant i menys problemàtic a la font que el cobalt utilitzat en els càtodes tradicionals de bateries d'ions de liti.
Però hi ha problemes amb les bateries de liti i sofre.Tant el càtode com l'ànode són súper reactius.Els càtodes de sofre són tan reactius que es dissolen durant el funcionament de la bateria.Aquest problema empitjora a altes temperatures.I els ànodes de metall de liti són propensos a formar estructures semblants a agulles anomenades dendrites que poden perforar parts de la bateria, fent-la curtcircuitar.Com a resultat, les bateries de sofre de liti només duren fins a desenes de cicles.
"Si voleu una bateria amb alta densitat d'energia, normalment heu d'utilitzar una química molt dura i complicada", va dir Chen."L'alta energia significa que s'estan produint més reaccions, la qual cosa significa menys estabilitat, més degradació.Fer una bateria d'alta energia que sigui estable és una tasca difícil en si mateixa: intentar fer-ho a través d'un ampli rang de temperatures és encara més difícil".
L'electròlit dibutil èter desenvolupat per l'equip de la UC San Diego evita aquests problemes, fins i tot a altes i baixes temperatures.Les bateries que van provar tenien una vida útil molt més llarga que una bateria típica de sofre de liti."El nostre electròlit ajuda a millorar tant el costat del càtode com el costat de l'ànode alhora que proporciona una alta conductivitat i estabilitat interfacial", va dir Chen.
L'equip també va dissenyar el càtode de sofre per ser més estable empeltant-lo a un polímer.Això evita que es dissolgui més sofre a l'electròlit.
Els següents passos inclouen augmentar la química de la bateria, optimitzar-la perquè funcioni a temperatures encara més altes i allargar encara més la vida útil del cicle.
Ponència: "Criteris de selecció de dissolvents per a bateries de sofre de liti resistents a la temperatura".Els coautors inclouen Guorui Cai, John Holoubek, Mingqian Li, Hongpeng Gao, Yijie Yin, Sicen Yu, Haodong Liu, Tod A. Pascal i Ping Liu, tots a la UC San Diego.
Aquest treball va comptar amb el suport d'una subvenció de la Facultat de Carrera Inicial del Programa de Beques de Recerca en Tecnologia Espacial de la NASA (ECF 80NSSC18K1512), la National Science Foundation a través del Centre de Ciència i Enginyeria de Recerca de Materials de la UC San Diego (MRSEC, subvenció DMR-2011924) i l'Oficina de Tecnologies de vehicles del Departament d'Energia dels EUA a través del Programa d'Investigació de Materials de Bateries Avançats (Consorci Battery500, contracte DE-EE0007764).Aquest treball es va realitzar en part a la San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) de la UC San Diego, membre de la National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, que compta amb el suport de la National Science Foundation (subvenció ECCS-1542148).
Hora de publicació: 10-agost-2022