Inžinieri na Kalifornskej univerzite v San Diegu dosiahli prielom v chémii elektrolytov, ktorý umožňuje lítiovým batériam bežať s vynikajúcim výkonom pri teplotách až -60 stupňov Celzia. Na porovnanie, súčasné lítium-iónové batérie prestanú pracovať pri teplote -20 stupňov Celzia.
Nové elektrolyty zároveň umožňujú elektrochemickým kondenzátorom bežať pri teplotách až -80 stupňov Celzia - ich súčasný limit je -40 stupňov Celzia. Zatiaľ čo technológia umožňuje extrémne nízkoteplotnú prevádzku, stále je zachovaný vysoký výkon pri izbovej teplote. Nová chémia elektrolytov by zároveň mohla zvýšiť hustotu energie a zlepšiť bezpečnosť lítiových batérií a elektrochemických kondenzátorov.
Práca bola uverejnená v časopise Science vo štvrtok 15. júna 2017.
Technológia by mohla umožniť elektrickým vozidlám cestovať ďalej na jedno nabitie v chladnom podnebí. Technológia by sa dala použiť aj na napájanie v extrémnych podmienkach, akým čelia napríklad výškové drony a meteorologické balóny, satelity, medziplanetárne rovery a iné letecké aplikácie.
Batérie a elektrochemické kondenzátory vyvinuté výskumnými pracovníkmi sú zvlášť odolené voči chladu, pretože ich elektrolyty sú vyrobené zo skvapalnených plynových rozpúšťadiel - plynov, ktoré sú skvapalnené pri miernych tlakoch - ktoré sú oveľa odolnejšie voči mrazu ako štandardné kvapalné elektrolyty. Nový elektrolyt s lítiovou batériou bol vyrobený s použitím skvapalneného fluórmetánového plynu. Elektrolyt pre elekktrochemický kondenzátor bol vyrobený s použitím skvapalneného difluórmetánového plynu.
"Odstránenie sklenníkových plynov závisí od prielomov v technológiách uchovávania energie. Lepšie batérie sú potrebné na výrobu elektrických vozidiel so zlepšenými pomermi výkonnosti k nákladom. Akonáhle sa teplotný rozsah pre batérie, ultra kondenzátory a ich hybridné zariadenia rozšíri, tieto elektrochemické technológie na ukladanie energie môžu byť využité na mnohých nových rozvíjajúcich sa trhoch. Táto práca ukazuje sľubnú cestu a myslím si, že úspech tohto nekonvenčného prístupu môže inšpirovať viac vedcov a výskumníkov, aby preskúmali neznáme územia v tejto oblasti výskumu, "povedal Shirley Meng, profesor nanoinžinierstva na UC San Diego Jacobs School of Engineering a hlavný autor štúdie. Meng vedie laboratórium pre skladovanie a konverziu energie a je riaditeľom Centra udržateľného energetického a energetického priemyslu v UC San Diego.
"Existuje všeobecný konsenzus, že elektrolyt je najslabším článkov v reťazi technológii na zlepšenie výkonu ďalšej generácie zariadení na uchovávanie energie," povedal Cyrus Rustomji, postdoc v Mengovej skupine a prvý autor štúdie. "Elektrolyty na báze kvapalín boli dôkladne preskúmané, teraz sa výskum zameral na elektrolyty v tuhom stave. Prijali sme opačný, hoci riskantný prístup a skúmali používanie elektrolytov na báze plynu."
Vedeckí pracovníci UC San Diego sú prvými, ktorí skúmajú elektrolyty založené na plynoch pre elektrochemické zariadenia na uchovávanie energie.
V budúcnosti by sa táto technológia mohla použiť na napájanie kozmických lodí pre medziplanetárny prieskum. "Mars rovery majú nízku teplotu špecifikáciu, ktorú väčšina existujúcich batérií nedokáže splniť. Naša nová technológia pre batérie môže spĺňať tieto špecifikácie bez toho, aby vyžadovala drahé a ťažké vykurovacie články," povedal Rustomji.
Pri realizácii tohto projektu tím UC San Diego zistil, že plyny majú vlastnosť, ktorá by im umožnila pracovať pri teplotách, pri ktorých konvenčné kvapalné elektrolyty zmrnú - nízku viskozitu. "Nízka viskozita vedie k vysokej mobilite iónov, čo znamená vysokú vodivosť pre batériu alebo kondenzátor aj pri extrémnych teplotách," povedal Rustomji.
Tím skúmal rad potenciálnych kandidátov na vhodný plyn, ale nakoniec sa zameral na dva nové elektrolyty: jeden založený na skvapalnenom fluórmetáne (pre lítiové batérie) a druhý na skvapalnenom difluórmetáne (pre elektrochemické kondenzátory).
Okrem ich výnimočnej výkonnosti pri nízkych teploty poskytujú tieto elektrolyty jedinečnú bezpečnostnú výhodu. Zmierňujú problém nazývaný teplotný rozbeh (thermal runaway), keď je batéria dostatočne horúca na to, aby spustila reťazec nebezpečný chemických reakcií, ktoré potom ďalej zohrejú batériu. S týmito novými elektrolytmi sa batéria nebude môcť sama zahriať pri teplotách oveľa vyšších, ako je izbová teplota. To preto, že pri vysokých teplotách strácajú tieto elektrolyty schopnosť rozpúšťať soli, takže batéria stráca vodivosť a prestane pracovať.
"Je to prirodzený vypínací mechanizmus, ktorý zabraňuje prehriatiu batérie," povedal Rustomji. Ďalšou peknou funkciou je, že tento mechanizmus je reverzibilný. "Akonáhle sa batéria príliš zahreje, vypne sa. Ale keď ochladzuje, začne opäť pracovať. V bežných batériách to nie je obvyklé."
Okrem toho Rustomji povedal, že pri závažnejších udalostiach, ako je automobilová nehoda, keď je batéria rozdrvená a skratovaná, môže plyn z elektrolytu odtekať a kvôli nedostatku vodivosti elektrolytu zabrániť tepelnej reakcii, ktorej by sa inak bolo pri konvenčných kvapalných elektrolytoch ťažko vyhnúť.
Credit: David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering
Kompatibilný elektrolyt pre lítiové kovové anódy
Meng, Rustomji a ich kolegovia urobili veľký krok vpred k dosiahnutiu ďalšieho dlho hľadaného snu výskumných pracovníkoch v oblasti batérií: vyrobiť elektrolyt, ktorý dobre funguje s lítiovou kovovou anódou. Lítium sa považuje za konečný anódový materiál, pretože môže skladovať viac nábojov ako existujúce anódy a je ľahší. Problémom je, že lítiový kov reaguje s konvenčnými kvapalnými elektrolytmi. Tieto chemické reakcie spôsobujú, že lítny kov má nízku Coulombovu (Faradayovu) účinnosť, čo znamená, že môže prechádzať iba obmedzeným počtom nabíjacích a vybíjacích cyklov predtým, ako batéria prestane pracovať.
Ďalším problémom pri používaní konvenčných kvapalných elektrolytov s anódou lítia je, že pri opakovanom nabíjaní a vybíjaní sa môže lítium na určitých miestach na elektróde nahromadiť. To spôsobuje rast ihlovitých štruktúr nazývaných dendrity, ktoré môžu prepichnúť časti batérie, čo spôsobuje skrat.
Doterajší prístup k vylepšeniu týchto problémov zahŕňajú: použitie elektrolytov s nízkou viskozitou; použitie vysokého mechanického tlaku na elektródu; a použitie takzvaných fluórovaných elektrolytických prísad na vytvorenie ideálneho chemického zloženia na povrchu kovovej elektródy lítia. Nové elektrolyty skvapalneného plynu vyvinuté tímom UC San Diego spájajú tieto všetky tri kľúčové aspekty do jedného elektrolytického systému. Nasledujúca medzifáza, vytvorená na elektróde, je vysoko rovnomerný povrch bez dendritov, ktorý umožňuje vysokú Coulombovu účinnosť viac ako 97 percent a zlepšenú vodivosť batérie. Toto je tiež prvýkrát, čo sa ukázalo, že elektrolyt má vysoký výkon na litiu a klasických katódových materiáloch, čo by mohlo umožniť podstatné zvýšenie celkovej energetickej hustoty batérií.
Ďalšie kroky
V budúcnosti sa výskumníci zameriavajú na zvýšenie energetickej hustoty a cyklickosti batérií a elektrochemických kondenzátorov a na prevádzku pri ešte nižších teplotách až na -100 stupňov Celzia. Táto práca by mohla viesť k vývoju nových technológií na napájanie kozmických lodí odoslaných na preskúmanie vonkajších planét ako sú Jupiter a Saturn.
Rustomji je vedúcim tímom UC v San Diegu, ktorý pracuje na uvedení tejto technológie na trh prostredníctvom spúšťania s názvom South 8 Technologies.
Rozhovor s autormi výskumu:
Zdroj: ucsdnews.ucsd.edu
Koxo