Исследователи сообщают о своей работе в статье, опубликованной в феврале. 25 в энергии природы.
В ходе испытаний испытательный аккумулятор сохранил 84% и 76% своей емкости в течение 50 циклов при -40 и -60 градусов Цельсия соответственно. По словам исследователей, такая производительность беспрецедентна.
Другие литиевые батареи, разработанные для использования при минусовых температурах, способны разряжаться на морозе, но при зарядке нуждаются в тепле.
Это означает, что на борту должен быть дополнительный обогреватель, чтобы использовать эти батареи в таких приложениях, как космическое пространство и глубоководные исследования. С другой стороны, новый аккумулятор можно заряжать и разряжать при сверхнизкой температуре.
Эта работа – совместная работа лабораторий профессоров наноинженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего Пинга Лю, Чжэн Чена и Тода Паскаля – представляет новый подход к повышению производительности литий-металлических батарей при сверхнизких температурах.
До сих пор многие усилия были сосредоточены на выборе электролитов, которые не так легко замерзают и могут поддерживать быстрое перемещение ионов лития между электродами. В этом исследовании исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего обнаружили, что дело не обязательно в том, насколько быстро электролит может перемещать ионы, а в том, насколько легко он отпускает их и откладывает их на аноде.
«Мы обнаружили, что связь между ионами лития и электролитом, а также структуры, которые ионы принимают в электролите, означают жизнь или смерть для этих батарей при низкой температуре», – сказал первый автор Джон Холубек, наноинженер, доктор философии.D. студент инженерной школы Калифорнийского университета в Сан-Диего Джейкобс.
Исследователи сделали эти открытия, сравнив характеристики батарей с двумя типами электролитов: один слабо связывается с ионами лития, а другой сильно связывает. Литий-металлические аккумуляторные элементы со слабосвязанным электролитом в целом лучше работали при -60 градусов Цельсия; он все еще работал хорошо после 50 циклов.
Напротив, элементы с сильно связывающим электролитом перестали работать всего после двух циклов.
После циклирования элементов исследователи разобрали их, чтобы сравнить отложения металлического лития на анодах. Различия также были разительны.
Отложения были гладкими и однородными в ячейках со слабо связывающим электролитом, но крупными и игольчатыми в ячейках с сильно связывающим электролитом.
Детали имеют значение
По словам исследователей, различия в производительности батарей сводятся к наноразмерным взаимодействиям. «То, как ионы лития взаимодействуют с электролитом на атомарном уровне, не только обеспечивает устойчивую цикличность при очень, очень низкой температуре, но также предотвращает образование дендритов», – сказал Чен.
Чтобы понять, почему, команда подробно изучила эти взаимодействия, используя компьютерное моделирование и спектроскопический анализ.
В одном из электролитов, называемом диэтиловым эфиром (или DEE), исследователи наблюдали молекулярные структуры, состоящие из ионов лития, слабо связанных с окружающими молекулами электролита. В другом электролите, называемом DOL / DME, исследователи наблюдали структуры, которые обладают прочной связью между ионами и молекулами электролита.
По словам исследователей, эти структуры и сила связывания важны, потому что они в конечном итоге определяют, как литий осаждается на поверхности анода при низких температурах. В слабо связанных структурах, подобных тем, которые наблюдаются в электролите DEE, объяснил Холубек, ионы лития могут легко покинуть захват электролита, поэтому не требуется много энергии, чтобы заставить их осесть в любом месте на поверхности анода.
Вот почему отложения в DEE гладкие и однородные. Но в сильно связанных структурах, таких как DOL / DME, требуется больше энергии, чтобы отвести ионы лития от электролита. В результате литий предпочтет осаждаться там, где поверхность анода имеет чрезвычайно сильное электрическое поле – везде, где есть острый наконечник.
И литий будет накапливаться на этом наконечнике до тех пор, пока в элементе не произойдет короткое замыкание. Вот почему отложения в DOL / DME являются крупными и дендритными.
«Выявление различных типов молекулярных и атомных структур, которые образует литий, и того, как литий координируется с определенными атомами – эти детали имеют значение», – сказал Паскаль, руководивший вычислительными исследованиями. «Основательно понимая, как эти системы объединяются, мы можем придумать всевозможные новые принципы проектирования для следующего поколения систем хранения энергии. Эта работа демонстрирует мощь наноинженерии, где понимание того, что происходит в малом масштабе, позволяет разрабатывать устройства в крупном масштабе."
Совместимый катод
Эти фундаментальные идеи позволили команде разработать катод, совместимый с электролитами и анодом для работы при низких температурах.
Это катод на основе серы, изготовленный из недорогих, распространенных и экологически безвредных материалов – не используются дорогие переходные металлы.
«Значение этой работы действительно двоякое», – сказал Лю, чья лаборатория разработала катод и оптимизирует циклические характеристики такого катода в DEE для нормальных условий. "С научной точки зрения он представляет идеи, противоречащие общепринятому мнению. Технологически это первая перезаряжаемая литий-металлическая батарея, которая может обеспечивать значительную плотность энергии при полной работе при -60 ° C. Оба аспекта представляют собой законченное решение для сверхнизкотемпературных батарей."