باتری خودروی برقی برای تمام فصول

بسیاری از صاحبان وسایل نقلیه الکتریکی نگران این هستند که باتری آنها در هوای بسیار سرد چقدر کارآمد خواهد بود. اکنون ممکن است یک ترکیب شیمیایی جدید باتری 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 صفر 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 آرگون و لارنس برکلی وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) یک الکترولیت حاوی فلوئور تولید کرده‌اند که حتی در دماهای زیر صفر نیز عملکرد خوبی دارد.

این تحقیق در Advanced Energy Materials دیده می شود.

ژنگ چنگ “جان” ژانگ، شیمیدان ارشد گروه، گفت: “تیم ما نه تنها یک الکترولیت ضد یخ پیدا کرد که عملکرد شارژ آن در دمای منفی ۴ درجه فارنهایت کاهش نمی یابد، بلکه در سطح اتمی نیز کشفی کردیم که آن را بسیار موثر می کند.” رهبر در بخش علوم شیمی و مهندسی Argonne.

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 (لیتیوم هگزا فلوروفسفات) 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 های چهار یا پنج 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 دمای زیر صفر است. 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 ۴۰۰ چرخه شارژ-تخلیه در دمای منفی ۴ فارنهایت حفظ کرد. حتی در آن دمای زیر صفر، ظرفیت یک سلول با الکترولیت مبتنی بر کربنات معمولی در دمای اتاق برابر بود.

ژانگ گفت: 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 اضافه ای است. این بسیار ایمن تر از الکترولیت های مبتنی بر کربنات است که در حال حاضر استفاده می شود، زیرا آتش نمی گیرد.

ژانگ گفت: “ما در حال ثبت اختراع الکترولیت با دمای پایین و ایمن تر خود هستیم و اکنون به دنبال شریک صنعتی هستیم تا آن را با یکی از طرح های آنها برای باتری های لیتیوم یون تطبیق دهد.”

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

منبع