Инженеры Калифорнийского университета в Сан-Диего (UCSD) разработали очень емкие и притом термостойкие литий-ионные аккумуляторы, которые способны хорошо работать и в мороз, и в палящий зной. Об этом сообщает портал TechXplore. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Исследователи UCSD совершили крупный прорыв в создании термостойких батарей, разработав электролит, который не только универсален и надежен в широком диапазоне температур, но также совместим с высокоэнергетическими анодом и катодом.
Такие батареи способны позволить электромобилям в холодном климате ехать более долгий срок без подзарядки, а в жарком климате – уменьшить потребность в системах охлаждения аккумуляторов от перегрева, сказал Чжэн Чен, профессор наноинженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего и старший автор исследования.
«В электромобилях аккумуляторные блоки обычно находятся под полом, то есть в условиях высокотемпературной эксплуатации они приближены к дорогам, еще более раскаленным, чем окружающая атмосфера. Кроме того, аккумуляторы нагреваются просто из-за того, что во время работы через них проходит ток. Если аккумуляторы не могут выдержать такой прогрев, их производительность быстро ухудшится», – пояснил Чен.
В ходе испытаний экспериментальные батареи сохранили 87,5% и 115,9% своей энергоемкости при температурах -40°C и +50°C соответственно. У них также был высокий кулоновский КПД – 98,2% и 98,7% при тех же соответствующих температурах, что означает, что батареи могут подвергаться большему количеству циклов зарядки и разрядки, прежде чем выйдут из строя.
Батареи, разработанные Ченом и его коллегами, устойчивы как к холоду, так и к жаре благодаря прежде всего своему электролиту. Он изготовлен из жидкого раствора дибутилового эфира, смешанного с солью лития. Особенностью дибутилового эфира является то, что его молекулы слабо связываются с ионами лития. Другими словами, молекулы электролита могут легко отдавать ионы лития во время работы батареи.
Это слабое молекулярное взаимодействие, как обнаружили ученые UCSD в своем предыдущем исследовании, улучшает работу батареи при отрицательных температурах. Кроме того, дибутиловый эфир может легко выдерживать тепло, потому что он остается жидким при высоких температурах (его температура кипения составляет 141°C).
Еще одна важная особенность этого электролита – в том, что он совместим с литий-серным типом батарей (перезаряжаемых, с анодом из металлического лития и катодом из серы). Такие батареи рассматриваются в данный момент неотъемлемой частью аккумуляторных технологий следующего поколения, поскольку они обещают более высокую плотность энергии и более низкую стоимость.
Литий-серные батареи способны хранить в два раза больше энергии на килограмм, чем современные литий-ионные батареи, что может удвоить запас хода электромобилей без увеличения веса аккумуляторной батареи. Кроме того, сера является более распространенной и менее проблематичной для получения, чем кобальт, используемый в катодах традиционных литий-ионных аккумуляторов.
Тем не менее, с литий-серными батареями все еще есть проблемы: и катод, и анод у них сверхреактивны. Серные катоды настолько реактивны, что растворяются во время работы батареи. Эта проблема усугубляется при высоких температурах. А литий-металлические аноды склонны к образованию игольчатых структур, называемых дендритами, которые могут пробивать части батареи, вызывая ее короткое замыкание. В результате современные типы литий-серных батарей работают только до десятков циклов.
«Большая энергия означает, что происходит больше реакций, что означает меньшую стабильность и большую деградацию. Создание стабильной высокоэнергетической батареи само по себе является сложной задачей, а попытка сделать это в широком диапазоне температур еще сложнее», – отметил Чен.
Электролит на основе дибутилового эфира, разработанный командой Калифорнийского университета в Сан-Диего, предотвращает эти проблемы даже при высоких и низких температурах. Аккумуляторы, которые они протестировали, имели гораздо более длительный срок службы, чем обычные литий-серные аккумуляторы.
«Наш электролит помогает улучшить как сторону катода, так и сторону анода, обеспечивая при этом высокую проводимость и межфазную стабильность», – сказал Чен.
Научная группа UCSD также разработала серный катод, чтобы он был более стабильным, привив его к полимеру. Это предотвращает растворение большего количества серы в электролите. Следующие шаги исследователей предполагают включить масштабирование химического состава батареи, оптимизацию ее для работы при еще более высоких температурах и дальнейшее увеличение срока службы.