แบตเตอรี่ที่บรรจุพลังงานเหล่านี้ทำงานได้ดีในที่เย็นและร้อนจัด

วิศวกรของมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานดิเอโก ได้พัฒนาแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ทำงานได้ดีในอุณหภูมิที่เย็นจนเยือกแข็งและร้อนจัด ในขณะที่บรรจุพลังงานได้มากนักวิจัยประสบความสำเร็จด้วยการพัฒนาอิเล็กโทรไลต์ที่ไม่เพียงแต่ใช้งานได้หลากหลายและทนทานตลอดช่วงอุณหภูมิที่กว้าง แต่ยังเข้ากันได้กับขั้วบวกและแคโทดที่มีพลังงานสูง
แบตเตอรี่ที่ทนต่ออุณหภูมิมีการอธิบายไว้ในบทความที่ตีพิมพ์ในสัปดาห์ที่ 4 กรกฎาคมใน รายงานการประชุมของ National Academy of Sciences (PNAS)
แบตเตอรี่ดังกล่าวอาจทำให้รถยนต์ไฟฟ้าในสภาพอากาศหนาวเย็นสามารถเดินทางได้ไกลขึ้นด้วยการชาร์จเพียงครั้งเดียวZheng Chen ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมนาโนจาก UC San Diego Jacobs School of Engineering และผู้เขียนอาวุโสของการศึกษากล่าวว่าสามารถลดความจำเป็นในการใช้ระบบระบายความร้อนเพื่อป้องกันไม่ให้ชุดแบตเตอรี่ของรถยนต์เกิดความร้อนสูงเกินไปในสภาพอากาศร้อน
“คุณต้องการการทำงานที่อุณหภูมิสูงในพื้นที่ที่อุณหภูมิแวดล้อมสามารถเข้าถึงตัวเลขสามหลักและถนนจะร้อนขึ้นกว่าเดิมในรถยนต์ไฟฟ้า ก้อนแบตเตอรี่มักจะอยู่ใต้พื้น ใกล้กับถนนร้อนเหล่านี้” เฉิน ซึ่งเป็นสมาชิกคณะของ UC San Diego Sustainable Power and Energy Center อธิบาย“นอกจากนี้ แบตเตอรี่ยังอุ่นขึ้นจากกระแสไฟที่ไหลผ่านระหว่างการทำงานหากแบตเตอรี่ไม่สามารถทนต่อการอุ่นเครื่องที่อุณหภูมิสูงได้ ประสิทธิภาพของแบตเตอรี่จะลดลงอย่างรวดเร็ว”
ในการทดสอบ แบตเตอรี่ที่พิสูจน์แนวคิดจะคงความจุพลังงานไว้ 87.5% และ 115.9% ที่ -40 และ 50 C (-40 และ 122 F) ตามลำดับพวกเขายังมีประสิทธิภาพคูลอมบิกสูงถึง 98.2% และ 98.7% ที่อุณหภูมิเหล่านี้ ตามลำดับ ซึ่งหมายความว่าแบตเตอรี่สามารถผ่านรอบการชาร์จและการคายประจุมากขึ้นก่อนที่จะหยุดทำงาน
แบตเตอรี่ที่ Chen และเพื่อนร่วมงานพัฒนาขึ้นนั้นมีทั้งความทนทานต่อความเย็นและความร้อนด้วยอิเล็กโทรไลต์มันทำจากสารละลายของเหลวของไดบิวทิลอีเทอร์ผสมกับเกลือลิเธียมลักษณะพิเศษของไดบิวทิลอีเทอร์คือโมเลกุลของมันจะจับกับลิเธียมไอออนอย่างอ่อนกล่าวอีกนัยหนึ่ง โมเลกุลของอิเล็กโทรไลต์สามารถปล่อยลิเธียมไอออนได้อย่างง่ายดายในขณะที่แบตเตอรี่ทำงานนักวิจัยได้ค้นพบปฏิสัมพันธ์ของโมเลกุลที่อ่อนแอในการศึกษาก่อนหน้านี้ ปรับปรุงประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ที่อุณหภูมิต่ำกว่าศูนย์นอกจากนี้ ไดบิวทิลอีเทอร์ยังนำความร้อนได้ง่ายเนื่องจากยังคงเป็นของเหลวที่อุณหภูมิสูง (มีจุดเดือด 141 C หรือ 286 F)
รักษาเสถียรภาพของเคมีลิเธียม-กำมะถัน
ความพิเศษของอิเล็กโทรไลต์นี้ก็คือ มันเข้ากันได้กับแบตเตอรี่ลิเธียม-ซัลเฟอร์ ซึ่งเป็นแบตเตอรี่ประเภทชาร์จซ้ำได้ที่มีขั้วบวกที่ทำจากโลหะลิเธียมและแคโทดที่ทำจากกำมะถันแบตเตอรี่ลิเธียม-กำมะถันเป็นส่วนสำคัญของเทคโนโลยีแบตเตอรี่ยุคหน้าเพราะรับประกันความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้นและต้นทุนที่ต่ำลงสามารถเก็บพลังงานต่อกิโลกรัมได้มากกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนในปัจจุบันถึง 2 เท่า ซึ่งสามารถเพิ่มช่วงของรถยนต์ไฟฟ้าได้เป็นสองเท่าโดยไม่เพิ่มน้ำหนักของก้อนแบตเตอรี่นอกจากนี้ กำมะถันยังมีปริมาณมากและมีปัญหากับแหล่งที่มาน้อยกว่าโคบอลต์ที่ใช้ในแคโทดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบเดิม
แต่มีปัญหากับแบตเตอรี่ลิเธียม-ซัลเฟอร์ทั้งแคโทดและแอโนดมีปฏิกิริยาสูงแคโทดกำมะถันมีปฏิกิริยามากจนละลายระหว่างการใช้งานแบตเตอรี่ปัญหานี้แย่ลงเมื่ออุณหภูมิสูงและขั้วบวกของโลหะลิเธียมมีแนวโน้มที่จะสร้างโครงสร้างคล้ายเข็มที่เรียกว่าเดนไดรต์ซึ่งสามารถเจาะส่วนต่างๆ ของแบตเตอรี่ทำให้เกิดไฟฟ้าลัดวงจรได้เป็นผลให้แบตเตอรี่ลิเธียมกำมะถันมีอายุการใช้งานนานถึงสิบรอบเท่านั้น
“ถ้าคุณต้องการแบตเตอรี่ที่มีความหนาแน่นของพลังงานสูง คุณมักจะต้องใช้เคมีที่ซับซ้อนและรุนแรงมาก” Chen กล่าว“พลังงานสูงหมายถึงปฏิกิริยาเกิดขึ้นมากขึ้น ซึ่งหมายถึงความเสถียรน้อยลง ความเสื่อมโทรมมากขึ้นการสร้างแบตเตอรี่พลังงานสูงที่มีความเสถียรนั้นเป็นงานที่ยาก การพยายามทำสิ่งนี้ผ่านช่วงอุณหภูมิที่กว้างนั้นท้าทายยิ่งกว่าเดิม”
อิเล็กโทรไลต์ไดบิวทิลอีเทอร์ที่พัฒนาโดยทีม UC San Diego ป้องกันปัญหาเหล่านี้ได้ แม้จะอยู่ในอุณหภูมิสูงและต่ำแบตเตอรี่ที่พวกเขาทดสอบมีอายุการใช้งานยาวนานกว่าแบตเตอรี่ลิเธียม-ซัลเฟอร์ทั่วไป"อิเล็กโทรไลต์ของเราช่วยปรับปรุงทั้งด้านแคโทดและด้านแอโนดในขณะเดียวกันก็ให้ค่าการนำไฟฟ้าสูงและความเสถียรของอินเทอร์เฟซ" นายเฉินกล่าว
ทีมงานยังได้ออกแบบแคโทดกำมะถันให้มีความเสถียรมากขึ้นโดยการต่อกิ่งให้เป็นพอลิเมอร์เพื่อป้องกันไม่ให้กำมะถันละลายในอิเล็กโทรไลต์มากขึ้น
ขั้นตอนต่อไป ได้แก่ การปรับขนาดเคมีของแบตเตอรี่ การปรับให้เหมาะสมเพื่อให้ทำงานที่อุณหภูมิสูงขึ้นไปอีก และยืดอายุการใช้งานของวงจรให้ยาวนานขึ้น
กระดาษ: “เกณฑ์การคัดเลือกตัวทำละลายสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียม-ซัลเฟอร์ที่ทนต่ออุณหภูมิ”ผู้เขียนร่วม ได้แก่ Guorui Cai, John Holoubek, Mingqian Li, Hongpeng Gao, Yijie Yin, Sicen Yu, Haodong Liu, Tod A. Pascal และ Ping Liu ทั้งหมดที่ UC San Diego
งานนี้ได้รับการสนับสนุนจากทุน Early Career Faculty จากโครงการทุนวิจัยเทคโนโลยีอวกาศของ NASA (ECF 80NSSC18K1512) มูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติผ่าน UC San Diego Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC, ทุน DMR-2011924) และสำนักงานของ เทคโนโลยียานยนต์ของกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ ผ่านโครงการวิจัยวัสดุแบตเตอรี่ขั้นสูง (Battery500 Consortium, สัญญา DE-EE0007764)งานนี้ดำเนินการในบางส่วนที่ San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) ที่ UC San Diego ซึ่งเป็นสมาชิกของ National Nanotechnology Coordinated Infrastructure ซึ่งได้รับการสนับสนุนจาก National Science Foundation (grant ECCS-1542148)