Այս էներգիայով հագեցած մարտկոցները լավ են աշխատում ծայրահեղ ցրտին և շոգին

Կալիֆորնիայի Սան Դիեգոյի համալսարանի ինժեներները մշակել են լիթիում-իոնային մարտկոցներ, որոնք լավ են աշխատում սառը ցուրտ և կիզիչ տաք ջերմաստիճանի դեպքում՝ միաժամանակ մեծ քանակությամբ էներգիա կուտակելով:Հետազոտողները հասցրին այս սխրանքը՝ մշակելով էլեկտրոլիտ, որը ոչ միայն բազմակողմանի և ամուր է ջերմաստիճանի լայն տիրույթում, այլև համատեղելի է բարձր էներգիայի անոդի և կաթոդի հետ:
Ջերմակայուն մարտկոցներնկարագրված են հոդվածում, որը լույս է տեսել հուլիսի 4-ի շաբաթը՝ Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) ամսագրում:
Նման մարտկոցները կարող են թույլ տալ ցուրտ կլիմայական պայմաններում գտնվող էլեկտրական մեքենաներին մեկ լիցքավորմամբ ավելի հեռուն գնալ:դրանք կարող են նաև նվազեցնել հովացման համակարգերի կարիքը, որպեսզի մեքենաների մարտկոցների փաթեթները չտաքանան տաք կլիմայական պայմաններում, ասում է Չժեն Չենը՝ ​​UC San Diego Jacobs School of Engineering-ի նանոճարտարագիտության պրոֆեսոր և հետազոտության ավագ հեղինակը:
«Ձեզ անհրաժեշտ է բարձր ջերմաստիճանի աշխատանք այն վայրերում, որտեղ շրջակա միջավայրի ջերմաստիճանը կարող է հասնել եռանիշի, իսկ ճանապարհներն էլ ավելի են տաքանում:Էլեկտրական մեքենաներում մարտկոցների փաթեթները սովորաբար հատակի տակ են՝ այս տաք ճանապարհներին մոտ», - բացատրեց Չենը, ով նաև UC San Diego Կայուն էներգիայի և էներգիայի կենտրոնի պրոֆեսորադասախոսական կազմի անդամ է:«Ինչպես նաև, մարտկոցները տաքանում են հենց աշխատանքի ընթացքում հոսանքի հոսքից:Եթե ​​մարտկոցները չկարողանան հանդուրժել այս տաքացումը բարձր ջերմաստիճանում, ապա դրանց արդյունավետությունը արագորեն կնվազի»:
Փորձարկումներում ապացուցված մարտկոցները պահպանել են իրենց էներգիայի հզորության 87,5% և 115,9% համապատասխանաբար -40 և 50 C (-40 և 122 F), համապատասխանաբար:Նրանք նաև ունեին բարձր Coulombic արդյունավետություն՝ համապատասխանաբար 98,2% և 98,7% այս ջերմաստիճաններում, ինչը նշանակում է, որ մարտկոցները կարող են ենթարկվել ավելի շատ լիցքավորման և լիցքաթափման ցիկլերի՝ նախքան դադարելը:
Չենի և գործընկերների կողմից մշակված մարտկոցները իրենց էլեկտրոլիտի շնորհիվ դիմացկուն են ինչպես ցրտին, այնպես էլ ջերմությանը:Այն պատրաստված է դիբուտիլ եթերի հեղուկ լուծույթից՝ խառնված լիթիումի աղի հետ։Դիբութիլ եթերի առանձնահատկությունն այն է, որ նրա մոլեկուլները թույլ են կապվում լիթիումի իոնների հետ։Այլ կերպ ասած, էլեկտրոլիտի մոլեկուլները կարող են հեշտությամբ բաց թողնել լիթիումի իոնները, երբ մարտկոցը աշխատում է:Այս թույլ մոլեկուլային փոխազդեցությունը, որը հետազոտողները հայտնաբերել էին նախորդ ուսումնասիրության ժամանակ, բարելավում է մարտկոցի աշխատանքը զրոյից ցածր ջերմաստիճանում:Բացի այդ, դիբուտիլ եթերը կարող է հեշտությամբ վերցնել ջերմությունը, քանի որ այն մնում է հեղուկ բարձր ջերմաստիճաններում (այն ունի եռման կետ 141 C կամ 286 F):
Լիթիում-ծծմբի քիմիայի կայունացում
Այս էլեկտրոլիտի առանձնահատկությունը նաև այն է, որ այն համատեղելի է լիթիում-ծծմբային մարտկոցի հետ, որը վերալիցքավորվող մարտկոցի տեսակ է, որն ունի լիթիում մետաղից պատրաստված անոդ և ծծմբից պատրաստված կաթոդ:Լիթիում-ծծմբային մարտկոցները հաջորդ սերնդի մարտկոցների տեխնոլոգիաների կարևոր մասն են, քանի որ դրանք խոստանում են էներգիայի ավելի մեծ խտություն և ավելի ցածր ծախսեր:Նրանք կարող են մեկ կիլոգրամում պահել մինչև երկու անգամ ավելի շատ էներգիա, քան այսօրվա լիթիում-իոնային մարտկոցները, ինչը կարող է կրկնապատկել էլեկտրական մեքենաների տիրույթը՝ առանց մարտկոցների փաթեթի քաշի ավելացման:Բացի այդ, ծծումբն ավելի առատ է և ավելի քիչ խնդրահարույց, քան կոբալտը, որն օգտագործվում է ավանդական լիթիում-իոն մարտկոցների կաթոդներում:
Բայց լիթիում-ծծմբային մարտկոցների հետ կապված խնդիրներ կան։Ե՛վ կաթոդը, և՛ անոդը գերակտիվ են:Ծծմբի կաթոդներն այնքան ռեակտիվ են, որ դրանք լուծվում են մարտկոցի աշխատանքի ընթացքում:Այս խնդիրն ավելի է վատանում բարձր ջերմաստիճանի պայմաններում:Իսկ լիթիումի մետաղական անոդները հակված են ասեղանման կառուցվածքներ ձևավորելու, որոնք կոչվում են դենդրիտներ, որոնք կարող են ծակել մարտկոցի մասերը՝ առաջացնելով դրա կարճ միացում:Արդյունքում, լիթիում-ծծմբային մարտկոցները տևում են մինչև տասնյակ ցիկլեր:
«Եթե ցանկանում եք էներգիայի բարձր խտությամբ մարտկոց, սովորաբար պետք է օգտագործեք շատ կոշտ, բարդ քիմիա», - ասաց Չենը:«Բարձր էներգիան նշանակում է, որ ավելի շատ ռեակցիաներ են տեղի ունենում, ինչը նշանակում է ավելի քիչ կայունություն, ավելի շատ դեգրադացիա:Բարձր էներգիայի կայուն մարտկոց պատրաստելն ինքնին բարդ խնդիր է. դա անելը ջերմաստիճանի լայն տիրույթի միջոցով ավելի դժվար է»:
UC San Diego թիմի կողմից մշակված դիբուտիլ եթերային էլեկտրոլիտը կանխում է այս խնդիրները նույնիսկ բարձր և ցածր ջերմաստիճանների դեպքում:Նրանց փորձարկված մարտկոցները շատ ավելի երկար են աշխատել, քան սովորական լիթիում-ծծմբային մարտկոցները:«Մեր էլեկտրոլիտը օգնում է բարելավել ինչպես կաթոդի, այնպես էլ անոդի կողմը՝ միաժամանակ ապահովելով բարձր հաղորդունակություն և միջերեսային կայունություն», - ասաց Չենը:
Թիմը նաև մշակել է ծծմբի կաթոդը, որպեսզի այն ավելի կայուն լինի՝ այն պատվաստելով պոլիմերին:Սա թույլ չի տալիս ավելի շատ ծծումբ լուծարվել էլեկտրոլիտի մեջ:
Հաջորդ քայլերը ներառում են մարտկոցի քիմիայի մեծացում, դրա օպտիմալացում՝ ավելի բարձր ջերմաստիճաններում աշխատելու համար և հետագա ցիկլի ժամկետի երկարացում:
Թուղթ. «Լիթիում-ծծմբային մարտկոցների ջերմաստիճանի դիմացկուն մարտկոցների լուծիչների ընտրության չափանիշները»:Համահեղինակներից են Գուորուի Կայը, Ջոն Հոլուբեկը, Մինգչյան Լին, Հոնգպեն Գաոն, Յիջյե Ինը, Սիցեն Յուն, Հաոդոնգ Լյուն, Թոդ Ա. Պասկալը և Պինգ Լյուն, բոլորը Սան Դիեգոյի համալսարանում:
Այս աշխատանքը աջակցվել է ՆԱՍԱ-ի Տիեզերական տեխնոլոգիաների հետազոտական ​​դրամաշնորհների ծրագրի (ECF 80NSSC18K1512), Ազգային գիտական ​​հիմնադրամի կողմից UC San Diego Նյութերի հետազոտական ​​գիտության և ճարտարագիտական ​​կենտրոնի միջոցով (MRSEC, DMR-2011924) և գրասենյակի կողմից վաղ կարիերայի ֆակուլտետի դրամաշնորհով: ԱՄՆ էներգետիկայի նախարարության մեքենաների տեխնոլոգիաները՝ Advanced Battery Materials Research Program-ի միջոցով (Battery500 Consortium, պայմանագիր DE-EE0007764):Այս աշխատանքը մասամբ իրականացվել է Սան Դիեգոյի նանոտեխնոլոգիական ենթակառուցվածքում (SDNI) UC San Diego-ում, Ազգային Նանոտեխնոլոգիաների համակարգված ենթակառուցվածքի անդամ, որն աջակցվում է Ազգային գիտական ​​հիմնադրամի կողմից (դրամաշնորհ ECCS-1542148):