Ingenieurs van de Universiteit van Californië in San Diego hebben lithium-ionbatterijen ontwikkeld die goed presteren bij vrieskou en verzengende hete temperaturen, terwijl ze veel energie inpakken.De onderzoekers bereikten deze prestatie door een elektrolyt te ontwikkelen dat niet alleen veelzijdig en robuust is over een breed temperatuurbereik, maar ook compatibel is met een hoge energie anode en kathode.
De temperatuurbestendige batterijenworden beschreven in een paper gepubliceerd in de week van 4 juli in Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Met dergelijke batterijen kunnen elektrische voertuigen in koude klimaten verder reizen op een enkele lading;ze kunnen ook de behoefte aan koelsystemen verminderen om te voorkomen dat de accu's van de voertuigen oververhit raken in warme klimaten, zei Zheng Chen, een professor in nano-engineering aan de UC San Diego Jacobs School of Engineering en senior auteur van de studie.
“Je moet werken bij hoge temperaturen in gebieden waar de omgevingstemperatuur de drievoudige cijfers kan bereiken en de wegen nog heter worden.In elektrische voertuigen bevinden de batterijpakketten zich meestal onder de vloer, dicht bij deze hete wegen, "legde Chen uit, die ook een faculteitslid is van het UC San Diego Sustainable Power and Energy Center.“Bovendien worden batterijen alleen al warm doordat er tijdens het gebruik een stroom doorheen loopt.Als de batterijen deze opwarming bij hoge temperatuur niet kunnen verdragen, gaan hun prestaties snel achteruit.”
In tests behielden de proof-of-concept batterijen 87,5% en 115,9% van hun energiecapaciteit bij respectievelijk -40 en 50 C (-40 en 122 F).Ze hadden ook een hoge Coulomb-efficiëntie van respectievelijk 98,2% en 98,7% bij deze temperaturen, wat betekent dat de batterijen meer laad- en ontlaadcycli kunnen ondergaan voordat ze stoppen met werken.
De batterijen die Chen en collega's hebben ontwikkeld, zijn dankzij hun elektrolyt zowel koude- als warmtetolerant.Het is gemaakt van een vloeibare oplossing van dibutylether gemengd met een lithiumzout.Een bijzonder kenmerk van dibutylether is dat de moleculen zich zwak binden aan lithiumionen.Met andere woorden, de elektrolytmoleculen kunnen lithiumionen gemakkelijk loslaten terwijl de batterij werkt.Deze zwakke moleculaire interactie, ontdekten de onderzoekers in een eerdere studie, verbetert de batterijprestaties bij temperaturen onder het vriespunt.Bovendien kan dibutylether gemakkelijk de hitte opnemen omdat het bij hoge temperaturen vloeibaar blijft (het heeft een kookpunt van 141 C of 286 F).
Stabiliserende lithium-zwavelchemie
Het bijzondere aan deze elektrolyt is dat hij compatibel is met een lithium-zwavelbatterij, een type oplaadbare batterij met een anode van lithiummetaal en een kathode van zwavel.Lithium-zwavelbatterijen zijn een essentieel onderdeel van batterijtechnologieën van de volgende generatie omdat ze hogere energiedichtheden en lagere kosten beloven.Ze kunnen tot twee keer meer energie per kilogram opslaan dan de huidige lithium-ionbatterijen - dit zou de actieradius van elektrische voertuigen kunnen verdubbelen zonder dat het gewicht van het batterijpakket toeneemt.Ook is zwavel overvloediger en minder problematisch om te verkrijgen dan het kobalt dat wordt gebruikt in traditionele lithium-ionbatterijkathoden.
Maar er zijn problemen met lithium-zwavelbatterijen.Zowel de kathode als de anode zijn superreactief.Zwavelkathoden zijn zo reactief dat ze oplossen tijdens het gebruik op batterijen.Dit probleem wordt erger bij hoge temperaturen.En lithiummetaalanoden zijn vatbaar voor het vormen van naaldachtige structuren, dendrieten genaamd, die delen van de batterij kunnen doorboren, waardoor deze kortsluiting kan veroorzaken.Als gevolg hiervan gaan lithium-zwavelbatterijen maar tot tientallen cycli mee.
"Als je een batterij met een hoge energiedichtheid wilt, moet je meestal een zeer harde, gecompliceerde chemie gebruiken", zegt Chen."Hoge energie betekent dat er meer reacties plaatsvinden, wat minder stabiliteit betekent, meer degradatie.Het maken van een energierijke batterij die stabiel is, is op zich al een moeilijke taak - dit proberen te doen via een breed temperatuurbereik is nog uitdagender."
De door het team van UC San Diego ontwikkelde dibutyletherelektrolyt voorkomt deze problemen, zelfs bij hoge en lage temperaturen.De batterijen die ze testten, hadden een veel langere levensduur dan een typische lithium-zwavelbatterij."Onze elektrolyt helpt zowel de kathodezijde als de anodezijde te verbeteren en zorgt tegelijkertijd voor een hoge geleidbaarheid en grensvlakstabiliteit", zei Chen.
Het team ontwikkelde ook de zwavelkathode om stabieler te zijn door deze op een polymeer te enten.Dit voorkomt dat er meer zwavel in de elektrolyt oplost.
De volgende stappen zijn onder meer het opschalen van de batterijchemie, het optimaliseren om bij nog hogere temperaturen te werken en het verder verlengen van de levensduur.
Paper: "Selectiecriteria voor oplosmiddelen voor temperatuurbestendige lithium-zwavelbatterijen."Co-auteurs zijn onder meer Guorui Cai, John Holoubek, Mingqian Li, Hongpeng Gao, Yijie Yin, Sicen Yu, Haodong Liu, Tod A. Pascal en Ping Liu, allemaal van UC San Diego.
Dit werk werd ondersteund door een Early Career Faculty-beurs van NASA's Space Technology Research Grants Program (ECF 80NSSC18K1512), de National Science Foundation via het UC San Diego Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC, grant DMR-2011924), en het Office of Vehicle Technologies van het Amerikaanse ministerie van Energie via het Advanced Battery Materials Research Program (Battery500 Consortium, contract DE-EE0007764).Dit werk werd gedeeltelijk uitgevoerd in de San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) aan de UC San Diego, een lid van de National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, die wordt ondersteund door de National Science Foundation (subsidie ECCS-1542148).
Posttijd: 10 aug.-2022