فناوری باتری Sub-Zero

فناوری باتری Sub-Zero می تواند یک تغییر دهنده بازی برای ماشین های الکتریکی باشد، دانشمندان آزمایشگاه ملی Argonne یک الکترولیت حاوی فلوئور برای باتری‌های لیتیوم یونی ساخته‌اند که عملکرد شارژ آن در مناطق و فصول سرد بالا باقی می‌ماند.

آنها همچنین تعیین کردند که چرا اینقدر مؤثر است. (گزارش تحقیق در مجله Advanced Energy Materials منتشر شده است)

بسیاری از صاحبان وسایل نقلیه الکتریکی نگران این هستند که باتری آنها در هوای بسیار سرد چقدر کارآمد خواهد بود، اکنون ممکن است یک شیمی باتری جدید این مشکل را حل کرده باشد.

در باتری های لیتیوم یون فعلی، مشکل اصلی در الکترولیت مایع است. این جزء کلیدی باتری، ذرات حامل بار به نام یون ها را بین دو الکترود باتری منتقل می کند و باعث شارژ و تخلیه باتری می شود.

اما مایع در دمای زیر انجماد شروع به یخ زدن می کند. این شرایط کارایی شارژ خودروهای برقی را در مناطق و فصول سرد به شدت محدود می کند.

برای حل این مشکل، تیمی از دانشمندان از آزمایشگاه‌های ملی Argonne و Lawrence Berkeley در وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) یک الکترولیت حاوی فلوئور تولید کردند که حتی در دماهای زیر انجماد نیز عملکرد خوبی دارد.

ژنگ چنگ جان ژانگ، شیمیدان ارشد و رهبر گروه در بخش علوم شیمی و مهندسی آرگون گفت: تیم ما نه تنها یک الکترولیت ضد یخ پیدا کرد که عملکرد شارژ آن در دمای منفی 4 درجه فارنهایت کاهش نمی یابد، بلکه ما در اتمی نیز کشف کردیم. سطح، چه چیزی آن را بسیار موثر می کند.

این الکترولیت با دمای پایین نوید کارکرد باتری در خودروهای الکتریکی و همچنین ذخیره انرژی برای شبکه‌های الکتریکی و لوازم الکترونیکی مصرفی مانند رایانه‌ها و تلفن‌ها را نشان می‌دهد.

در باتری های لیتیوم یونی امروزی، الکترولیت مخلوطی از نمک به طور گسترده در دسترس (هگزافلوئوروفسفات لیتیوم) و حلال های کربناتی مانند اتیلن کربنات است، حلال ها نمک را حل می کنند تا مایعی تشکیل شود.

هنگامی که یک باتری شارژ می شود، الکترولیت مایع یون های لیتیوم را از کاتد (یک اکسید حاوی لیتیوم) به آند (گرافیت) منتقل می کند، این یون‌ها از کاتد خارج می‌شوند، سپس از طریق الکترولیت در مسیر وارد آند می‌شوند.

در حالی که از طریق الکترولیت منتقل می شوند، در مرکز خوشه هایی از چهار یا پنج مولکول حلال قرار می گیرند.

در طی چند بار شارژ اولیه، این خوشه ها به سطح آند برخورد می کنند و یک لایه محافظ به نام فاز میانی الکترولیت جامد تشکیل می دهند. پس از تشکیل، این لایه مانند یک فیلتر عمل می کند. این اجازه می دهد تا تنها یون های لیتیوم از لایه عبور کنند در حالی که مولکول های حلال را مسدود می کند.

به این ترتیب آند قادر است اتم های لیتیوم را در ساختار گرافیت به صورت شارژ ذخیره کند.

پس از تخلیه، واکنش‌های الکتروشیمیایی الکترون‌هایی را از لیتیوم آزاد می‌کنند که الکتریسیته تولید می‌کنند که می‌تواند وسایل نقلیه را تامین کند.

مشکل این است که در دماهای سرد، الکترولیت با حلال های کربنات شروع به یخ زدن می کند. در نتیجه، توانایی انتقال یون های لیتیوم به آند را در صورت شارژ از دست می دهد. این به این دلیل است که یون‌های لیتیوم در داخل خوشه‌های حلال بسیار محکم بسته شده‌اند.

از این رو، این یون ها به انرژی بسیار بالاتری برای تخلیه خوشه های خود و نفوذ به لایه رابط نسبت به دمای اتاق نیاز دارند. به همین دلیل، دانشمندان به دنبال حلال بهتری هستند.

این تیم چندین حلال حاوی فلوئور را بررسی کردند. آنها توانستند ترکیبی را شناسایی کنند که دارای کمترین سد انرژی برای آزادسازی یون های لیتیوم از خوشه ها در دماهای زیر انجماد بود. آنها همچنین در مقیاس اتمی مشخص کردند که چرا آن ترکیب خاص تا این حد خوب کار می کند. این به موقعیت اتم های فلوئور در هر مولکول حلال و تعداد آنها بستگی داشت.

در آزمایش با سلول‌های آزمایشگاهی، الکترولیت فلوئوردار تیم ظرفیت ذخیره انرژی پایدار را برای 400 چرخه شارژ-تخلیه در دمای منفی 4 درجه فارنهایت حفظ کرد، حتی در آن دمای زیر صفر، ظرفیت با ظرفیت یک سلول با پایه کربنات معمولی برابر بود.

ژانگ خاطرنشان کرد: بنابراین تحقیقات ما نشان داد که چگونه می توان ساختار اتمی حلال های الکترولیت را برای طراحی الکترولیت های جدید برای دماهای زیر صفر تنظیم کرد.

الکترولیت ضد یخ دارای خاصیت پاداش است، این بسیار ایمن تر از الکترولیت های مبتنی بر کربنات است که در حال حاضر استفاده می شود، زیرا آتش نمی گیرد.

الکترولیت فلوئوردار تیم Argonne در آزمایش روی نیمکت مشتعل نمی شود، برای اطلاعات بیشتر روی پیوند مقاله گزارش تحقیق کلیک کنید، که در هنگام ارسال، پشت دیوار پرداخت نیست.

ژانگ افزود: ما در حال ثبت اختراع الکترولیت با دمای پایین و ایمن‌تر خود هستیم و اکنون به دنبال شریک صنعتی هستیم تا آن را با یکی از طرح‌های آنها برای باتری‌های لیتیوم یونی تطبیق دهد.

علاوه بر جان ژانگ، نویسندگان Argonne دونگ جو یو، کیان لیو و مینکیو کیم هستند. نویسندگان آزمایشگاه برکلی اوریون کوهن و کریستین پرسون هستند.

کاهش عملکرد کامل به منهای چهار فارنهایت یک پیشرفت بزرگ است.

به علاوه، بازدارنده آتش باید فناوری خود را بسیار قانع کننده کند، اما بازار حاکم خواهد شد و مردم باید بدانند که بخواهند و تقاضا کنند، کسب و کار باید کمترین هزینه را پیدا کند تا جاذبه ها به فروش تبدیل شود.

مالکیت معنوی مجله انرژی (energymag.ir) علامت تجاری ناشر است... سایر علائم تجاری مورد استفاده در این مقاله متعلق به دارندگان علامت تجاری مربوطه می باشد، ناشر وابسته یا مرتبط با دارندگان علامت تجاری نیست و توسط دارندگان علامت تجاری حمایت، تایید یا ایجاد نشده است، مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد و هیچ ادعایی از سوی ناشر نسبت به حقوق مربوط به علائم تجاری شخص ثالث وجود ندارد.