Mae peirianwyr ym Mhrifysgol California San Diego wedi datblygu batris lithiwm-ion sy'n perfformio'n dda wrth rewi tymheredd oer a poeth, tra'n pacio llawer o egni.Cyflawnodd yr ymchwilwyr y gamp hon trwy ddatblygu electrolyte sydd nid yn unig yn hyblyg ac yn gadarn ar draws ystod tymheredd eang, ond sydd hefyd yn gydnaws ag anod ynni uchel a catod.
Y batris sy'n gallu gwrthsefyll tymhereddyn cael eu disgrifio mewn papur a gyhoeddwyd yr wythnos o Orffennaf 4 yn Trafodion yr Academi Genedlaethol y Gwyddorau (PNAS).
Gallai batris o'r fath ganiatáu i gerbydau trydan mewn hinsawdd oer deithio ymhellach ar un tâl;gallent hefyd leihau'r angen am systemau oeri i gadw pecynnau batri'r cerbydau rhag gorboethi mewn hinsoddau poeth, meddai Zheng Chen, athro nanobeirianneg yn Ysgol Beirianneg UC San Diego Jacobs ac uwch awdur yr astudiaeth.
“Mae angen gweithrediad tymheredd uchel arnoch chi mewn ardaloedd lle gall y tymheredd amgylchynol gyrraedd y digidau triphlyg a lle mae'r ffyrdd yn mynd yn boethach fyth.Mewn cerbydau trydan, mae'r pecynnau batri fel arfer o dan y llawr, yn agos at y ffyrdd poeth hyn, ”esboniodd Chen, sydd hefyd yn aelod cyfadran o Ganolfan Pŵer ac Ynni Cynaliadwy UC San Diego.“Hefyd, mae batris yn cynhesu dim ond ar ôl cael cerrynt yn rhedeg drwodd yn ystod llawdriniaeth.Os na all y batris oddef y cynhesu hwn ar dymheredd uchel, bydd eu perfformiad yn dirywio'n gyflym. ”
Mewn profion, cadwodd y batris prawf-cysyniad 87.5% a 115.9% o'u gallu ynni ar -40 a 50 C (-40 a 122 F), yn y drefn honno.Roedd ganddynt hefyd effeithlonrwydd Coulombic uchel o 98.2% a 98.7% ar y tymereddau hyn, yn y drefn honno, sy'n golygu y gall y batris gael mwy o gylchoedd gwefru a rhyddhau cyn iddynt roi'r gorau i weithio.
Mae'r batris a ddatblygodd Chen a chydweithwyr yn oddefgar oerfel a gwres diolch i'w electrolyte.Mae wedi'i wneud o hydoddiant hylif o ether dibutyl wedi'i gymysgu â halen lithiwm.Nodwedd arbennig am ether dibutyl yw bod ei moleciwlau yn rhwymo'n wan i ïonau lithiwm.Mewn geiriau eraill, gall y moleciwlau electrolyt ollwng ïonau lithiwm yn hawdd wrth i'r batri redeg.Mae'r rhyngweithio moleciwlaidd gwan hwn, yr oedd yr ymchwilwyr wedi'i ddarganfod mewn astudiaeth flaenorol, yn gwella perfformiad batri ar dymheredd is-sero.Hefyd, gall ether dibutyl gymryd y gwres yn hawdd oherwydd ei fod yn aros yn hylif ar dymheredd uchel (mae ganddo bwynt berwi o 141 C, neu 286 F).
Sefydlogi cemegau lithiwm-sylffwr
Yr hyn sydd hefyd yn arbennig am yr electrolyte hwn yw ei fod yn gydnaws â batri lithiwm-sylffwr, sef math o fatri aildrydanadwy sydd ag anod wedi'i wneud o fetel lithiwm a catod wedi'i wneud o sylffwr.Mae batris lithiwm-sylffwr yn rhan hanfodol o dechnolegau batri cenhedlaeth nesaf oherwydd eu bod yn addo dwysedd ynni uwch a chostau is.Gallant storio hyd at ddwywaith yn fwy o ynni fesul cilogram na batris lithiwm-ion heddiw - gallai hyn ddyblu'r ystod o gerbydau trydan heb unrhyw gynnydd ym mhwysau'r pecyn batri.Hefyd, mae sylffwr yn fwy niferus ac yn llai problemus i'w ffynhonnell na'r cobalt a ddefnyddir mewn catodau batri lithiwm-ion traddodiadol.
Ond mae problemau gyda batris lithiwm-sylffwr.Mae'r catod a'r anod yn adweithiol iawn.Mae catodau sylffwr mor adweithiol fel eu bod yn hydoddi yn ystod gweithrediad batri.Mae'r mater hwn yn gwaethygu ar dymheredd uchel.Ac mae anodau metel lithiwm yn dueddol o ffurfio strwythurau tebyg i nodwydd o'r enw dendritau a all dyllu rhannau o'r batri, gan achosi iddo gylched byr.O ganlyniad, dim ond hyd at ddegau o gylchoedd y mae batris lithiwm-sylffwr yn para.
“Os ydych chi eisiau batri â dwysedd ynni uchel, fel arfer mae angen i chi ddefnyddio cemeg llym, cymhleth iawn,” meddai Chen.“Mae egni uchel yn golygu bod mwy o adweithiau'n digwydd, sy'n golygu llai o sefydlogrwydd, mwy o ddiraddiad.Mae gwneud batri ynni uchel sy'n sefydlog yn dasg anodd ei hun - mae ceisio gwneud hyn trwy ystod tymheredd eang hyd yn oed yn fwy heriol. ”
Mae'r electrolyte ether dibutyl a ddatblygwyd gan dîm UC San Diego yn atal y materion hyn, hyd yn oed ar dymheredd uchel ac isel.Roedd gan y batris a brofwyd ganddynt fywydau beicio llawer hirach na batri lithiwm-sylffwr nodweddiadol.“Mae ein electrolyte yn helpu i wella ochr catod ac ochr anod wrth ddarparu dargludedd uchel a sefydlogrwydd rhyngwynebol,” meddai Chen.
Hefyd peiriannodd y tîm y catod sylffwr i fod yn fwy sefydlog trwy ei impio i bolymer.Mae hyn yn atal mwy o sylffwr rhag hydoddi i'r electrolyte.
Mae'r camau nesaf yn cynnwys cynyddu cemeg y batri, ei optimeiddio i weithio ar dymheredd uwch fyth ac ymestyn bywyd beicio ymhellach.
Papur: “Meini prawf dewis toddyddion ar gyfer batris lithiwm-sylffwr sy'n gallu gwrthsefyll tymheredd.”Mae cyd-awduron yn cynnwys Guorui Cai, John Holoubek, Mingqian Li, Hongpeng Gao, Yijie Yin, Sicen Yu, Haodong Liu, Tod A. Pascal a Ping Liu, i gyd yn UC San Diego.
Cefnogwyd y gwaith hwn gan grant Cyfadran Gyrfa Cynnar gan Raglen Grantiau Ymchwil Technoleg Gofod NASA (ECF 80NSSC18K1512), y Sefydliad Gwyddoniaeth Cenedlaethol trwy Ganolfan Gwyddoniaeth a Pheirianneg Ymchwil Deunyddiau UC San Diego (MRSEC, grant DMR-2011924), a'r Swyddfa Technolegau Cerbydau Adran Ynni'r UD trwy'r Rhaglen Ymchwil Deunyddiau Batri Uwch (Consortiwm Battery500, contract DE-EE0007764).Perfformiwyd y gwaith hwn yn rhannol yn Isadeiledd Nanotechnoleg San Diego (SDNI) yn UC San Diego, aelod o'r Seilwaith Cydlynol Nanotechnoleg Cenedlaethol, a gefnogir gan y Sefydliad Gwyddoniaeth Cenedlaethol (grant ECCS-1542148).
Amser postio: Awst-10-2022