Batterier studeras vanligtvis via elektriska egenskaper som spänning och ström, men ny forskning tyder på att observation av hur värme flödar i samband med elektricitet kan ge viktiga insikter i batterikemi.
Ett team av forskare vid University of Illinois Urbana-Champaign har visat hur man studerar de kemiska egenskaperna hos litiumjonbattericeller genom att utnyttja Peltier-effekten, där elektrisk ström får ett system att dra värme. Rapporterad i tidskriften Physical Chemistry Chemical Physics , gjorde denna teknik det möjligt för dem att experimentellt mäta entropin hos litiumjonelektrolyten, en termodynamisk funktion som direkt kunde informera litiumjonbatteriets design.
"Vårt arbete handlar om att förstå den grundläggande termodynamiken hos lösta litiumjoner, information som vi hoppas kommer att styra utvecklingen av bättre elektrolyter för batterier", säger David Cahill, professor i materialvetenskap och ingenjörsvetenskap från U. of I. och projektledare. "Att mäta den kopplade transporten av elektrisk laddning och värme i Peltier-effekten gör att vi kan härleda entropin, en kvantitet som är nära relaterad till den kemiska strukturen hos de upplösta jonerna och hur de interagerar med andra delar av batteriet."
Peltier-effekten är väl studerad i solid state-system där den används i kyla och kyla. Det förblir dock i stort sett outforskat i joniska system som litiumelektrolyt. Anledningen är att temperaturskillnaderna som skapas av Peltiers uppvärmning och kylning är små jämfört med andra effekter.
För att övervinna denna barriär använde forskarna ett mätsystem som kan lösa en hundra tusendels grad Celsius. Detta gjorde det möjligt för forskarna att mäta värmen mellan de två ändarna av cellen och använda den för att beräkna entropin för litiumjonelektrolyten i cellen.
"Vi mäter en makroskopisk egenskap, men den avslöjar fortfarande viktig information om jonernas mikroskopiska beteende", säger Rosy Huang, doktorand i Cahills forskargrupp och studiens huvudförfattare. "Mätningar av Peltier-effekten och lösningens entropi är nära kopplade till solvatiseringsstrukturen. Tidigare förlitade sig batteriforskare på energimätningar, men entropi skulle ge ett viktigt komplement till den informationen som ger en mer komplett bild av systemet."
Forskarna undersökte hur Peltiers värmeflöde förändrades med koncentrationen av litiumjoner, lösningsmedelstyp, elektrodmaterial och temperatur. I samtliga fall observerade de att värmeflödet gick motsatt jonströmmen i lösningen, vilket antyder att entropin från upplösningen av litiumjoner är mindre än entropin för fast litium.
Möjligheten att mäta entropin hos litiumjonelektrolytlösningar kan ge viktiga insikter i jonernas rörlighet, styr batteriets laddningscykel och hur lösningen interagerar med elektroderna, en viktig faktor i batteriets livslängd.
"En underskattad aspekt av batteridesign är att den flytande elektrolyten inte är kemiskt stabil när den kommer i kontakt med elektroderna," sa Cahill. "Det sönderdelas alltid och bildar något som kallas en fast-elektrolyt-interfas. För att göra ett batteri stabilt under långa cykler måste du förstå termodynamiken i den interfasen, vilket är vad vår metod hjälper till att göra."
Zhe Cheng är den andra huvudförfattaren till studien. Beniamin Zahiri, Patrick Kwon och U. of I. materialvetenskap och ingenjörsprofessor Paul Braun bidrog också till detta arbete.
Mer information: Zhe Cheng et al, Jonisk Peltier-effekt i Li-jonelektrolyter, Physical Chemistry Chemical Physics (2024). DOI:10.1039/D3CP05998G
Journalinformation: Fysikalisk kemi Kemisk fysik
Tillhandahålls av University of Illinois Grainger College of Engineering
