Аргоннская национальная лаборатория создает литий

Oct 17, 2023

Исследователи из Аргоннской национальной лаборатории полагают, что у них может быть решение для литий-ионных батарей, которые плохо работают на холоде.

К

Опубликовано

Люди, живущие в холодном климате и ездящие на электромобилях, знают, что литий-ионные аккумуляторы в их машинах плохо работают при отрицательных температурах. Они не заряжаются так быстро и не уходят так далеко. Это проблема, но Аргоннская национальная лаборатория утверждает, что у нее есть ответ.

В своем блоге ученые из Аргонны говорят, что в современных литий-ионных батареях жидкий электролит, который служит путем для перемещения ионов между катодом и анодом во время зарядки и разрядки батареи, начинает замерзать при минусовых температурах. . Это условие сильно ограничивает эффективность зарядки электромобилей в холодные регионы и времена года.

Команда ученых из национальных лабораторий Аргонны и Лоуренса Беркли совместно разработала фторированный электролит, который хорошо работает даже при минусовых температурах. «Таким образом, наше исследование продемонстрировало, как адаптировать атомную структуру растворителей-электролитов для разработки новых электролитов для минусовых температур», — говорит Джон Чжан, руководитель исследовательской группы в Аргоннской национальной лаборатории.

«Наша команда не только нашла антифризный электролит, зарядная способность которого не снижается при температуре минус 4 градуса по Фаренгейту, но мы также обнаружили на атомном уровне, что делает его таким эффективным», — сказал Чжан, старший химик и руководитель группы в Подразделение химических наук и инженерии Аргонны. Этот низкотемпературный электролит перспективен для использования в аккумуляторах электромобилей, а также в качестве накопителя энергии для электрических сетей и бытовой электроники, такой как компьютеры и телефоны.

Вам не обязательно знать, как работает аккумулятор, чтобы управлять электромобилем, так же, как вам не нужно знать, как работает четырехтактный двигатель, чтобы управлять обычным автомобилем. Большинство из нас, вероятно, имеют лишь элементарное представление о том, как работают литий-ионные батареи. Аргоннская лаборатория объясняет, что электролит, используемый сегодня в большинстве литий-ионных батарей, представляет собой смесь широко доступной соли — гексафторфосфата лития — и карбонатных растворителей, таких как этиленкарбонат. Растворители растворяют соль с образованием жидкости.

Когда аккумулятор заряжается, жидкий электролит переносит ионы лития от катода, который обычно представляет собой оксид, содержащий литий, к аноду, который обычно изготовлен из графита. Эти ионы мигрируют из катода, затем проходят через электролит на пути к аноду. При транспортировке через электролит они располагаются в центре кластеров из четырех или пяти молекул растворителя.

Во время первых нескольких зарядов эти кластеры ударяются о поверхность анода и образуют защитный слой, называемый границей твердого электролита. После формирования этот слой действует как фильтр. Он позволяет проходить через слой только ионам лития, блокируя при этом молекулы растворителя. Именно это позволяет аноду сохранять атомы лития в структуре графита при зарядке аккумулятора. Во время фазы разряда электрохимические реакции высвобождают электроны из лития для выработки электричества, которое затем используется для питания электромобилей.

При понижении температуры электролит с карбонатными растворителями начинает замерзать. Это, в свою очередь, приводит к потере способности транспортировать ионы лития к аноду во время зарядки, поскольку ионы лития очень прочно связаны внутри кластеров растворителя. Следовательно, этим ионам требуется гораздо большая энергия для эвакуации своих кластеров и проникновения в интерфейсный слой, чем при комнатной температуре. Ученые полагали, что решение проблемы плохих характеристик в холодную погоду состоит в том, чтобы найти лучший растворитель, который не замерзает.

Команда исследовала несколько растворителей, наполненных фтором, и смогла определить тот, который имел самый низкий энергетический барьер для высвобождения ионов лития из кластеров при минусовой температуре. Они также определили на атомном уровне, почему именно этот состав работал так хорошо — это зависело от положения атомов фтора внутри каждой молекулы растворителя и их количества.