EV baterija za sva godišnja doba

Kod aktuelne generacije litijum-jonskih EV baterija, glavni problem leži u tečnom elektrolitu. Ova ključna komponenta baterije prenosi jone. To su čestice koje nose naelektrisanje između dve elektrode baterije, uzrokujući punjenje i pražnjenje baterije. Međutim problem nastaje kada zahladni jer tečnost počinje da se zamrzava na temperaturama ispod nule. Ovo ozbiljno ograničava efikasnost punjenja električnih vozila u hladnim regionima i tokom zimskog godišnjeg doba.

Da bi rešili taj problem, tim naučnika iz Nacionalne laboratorije Argon i Lorens Berkli iz američkog Ministarstva energetike (DOE), razvili su tečni elektrolit koji sadrži fluor i koji dobro radi čak i na temperaturama ispod nule.

“Naš tim ne samo da je pronašao elektrolit koji se ne smrzava, već smo takođe otkrili, na atomskom nivou, šta ga čini tako efikasnim“, rekao je Džengčeng “Džon” Ženg, viši hemičar iz odeljenja za hemijske nauke i inženjerstvo u Argonu, a prenosi techxplore.

Ovaj niskotemperaturni elektrolit može raditi u baterijama za električna vozila, ali i u potrošačkoj elektronici kao što su računari ili telefoni.

Kako funkcionišu baterije

U današnjim litijum-jonskim baterijama, elektrolit je mešavina široko dostupne soli (litijum heksafluorofosfat) i karbonatnih rastvarača kao što je etilen karbonat. Rastvarači rastvaraju so i formiraju tečnost. Kada se baterija napuni, tečni elektrolit prenosi litijum jone sa katode (oksid koji sadrži litijum) do anode (grafit). Ovi joni migriraju iz katode, a zatim prolaze kroz elektrolit na putu do anode. Dok se transportuju kroz elektrolit, joni se nalaze u centru klastera od četiri ili pet molekula rastvarača.

Tokom nekoliko početnih punjenja, ovi klasteri udaraju u površinu anode i formiraju zaštitni sloj koji se naziva međufaza čvrstog elektrolita. Jednom formiran, ovaj sloj deluje kao filter. Omogućava samo jonima litijuma da prođu kroz sloj dok blokiraju molekule rastvarača. Na ovaj način, anoda je u stanju da skladišti atome litijuma u ​​strukturi grafita pri naelektrisanju. Nakon pražnjenja, elektrohemijske reakcije oslobađaju elektrone iz litijuma koji stvaraju električnu energiju i tako pokreću vozila.

Shutterstock

Problem je u tome što na niskim temperaturama elektrolit sa karbonatnim rastvaračima počinje da se smrzava. Kao rezultat toga, gubi sposobnost da transportuje jone litijuma do anode. To je zato što su joni litijuma čvrsto vezani unutar klastera rastvarača. Dakle, u situacijama hladnog okruženja ovi joni zahtevaju mnogo veću energiju da napuste klaster i prodru kroz zaštitni sloj. Iz tog razloga, naučnici traže bolji rastvarač.

Kako funkcionišu baterije

Tim je istražio nekoliko rastvarača koji sadrže fluor. Bili su u stanju da identifikuju sastav koji je imao najnižu energetsku barijeru za oslobađanje jona litijuma iz klastera na temperaturi ispod nule. Takođe su utvrdili na atomskoj skali zašto je ta konkretna mešavina tako dobro funkcionisala. To je zavisilo od položaja atoma fluora unutar svakog molekula rastvarača i njihovog broja.

U testiranju sa laboratorijskim ćelijama, fluorisani elektrolit zadržao je stabilan kapacitet skladištenja energije za 400 ciklusa punjenja-pražnjenja na minus 20 stepeni Celzijusa. Čak i pri tako niskoj temperaturi znatno ispod nule, kapacitet je bio ekvivalentan kapacitetu konvencionalne ćelije na sobnoj temperaturi.

Pored toga što se pokazao kao veoma efikasan, ovaj elektrolit zamrzava ima još neka korisna svojstva. Na primer, mnogo je bezbedniji od elektrolita na bazi karbonata koji se trenutno koriste, jer ne može da se zapali.

Dakle, ukoliko tim naučnika uspe da prilagodi ovu tehnologiju za širu upotrebu, električna vozila bi mogla da postanu mnogo efikasnija u svim vremenskim uslovima. Time bi se rešio jedan od većih problema sa kojim se trenutno suočavaju EV.