Forskare i Kina har utvecklat ett batteri med organiska sammansatta elektroder som kan fungera vid -70 grader Celsius -mycket kallare än temperaturen vid vilken litiumjonbatterier förlorar det mesta av sin förmåga att leda och lagra energi. Resultaten, publicerad 28 februari i tidningen Joule , kan hjälpa ingenjörer att utveckla teknik som lämpar sig för att klara de kallaste delarna av yttre rymden eller de mest kalla områdena på jorden.

Även om batterier kan fungera i relativt kalla klimat, de har sina gränser. De flesta presterar på bara 50% av sin optimala nivå när temperaturen når -20 grader Celsius, och med -40 grader Celsius, litiumjonbatterier har bara cirka 12% av sin rumstemperaturkapacitet. Detta kan vara mycket begränsande när det gäller att använda batterier i rymden, där temperaturen kan sjunka till -157 grader Celsius, eller till och med i delar av Kanada och Ryssland, där temperaturen kan vara lägre än -50 grader Celsius.

Men ett team av batteriforskare har hittat en design som kan fungera även där andra batterier kan gå sönder. "Det är välkänt att både elektrolyten (det kemiska mediet som bär joner mellan elektroderna) och elektroderna (den positivt laddade katoden och den negativt laddade anoden) har stort inflytande på batteriets prestanda, "säger Dr Yong-yao Xia, en batteriforskare vid Institutionen för kemi vid Fudan University i Shanghai, Kina.

När det blir kallt, de esterbaserade konventionella elektrolyter som litiumjonbatterier ofta använder blir tröga ledare och de elektrokemiska reaktionerna som uppstår vid elektrolytens gränssnitt och elektroden kämpar för att fortsätta-vilket betyder att litiumjonbatterier inte håller för bra i ultra -kallt klimat. Det är ett problem som konsekvent har irriterat forskare.

Teamet experimenterade med att använda en ester (etylacetat) baserad elektrolyt, som har en låg fryspunkt som gör det möjligt att genomföra en laddning även vid extremt låga temperaturer. För elektroderna, de använde två organiska föreningar - en polytrifenylamin (PTPAn) katod och 1, 4, 5, 8-naftalenetetrakarboxyldianhydrid (NTCDA) -deriverad polyimid (PNTCDA) anod. Till skillnad från elektroderna som används i litiumjonbatterier, dessa organiska föreningar är inte beroende av interkalering - processen för kontinuerlig integration av joner i deras molekylära matris, som saktar ner när temperaturen sjunker.

"Dra nytta av etylacetatbaserade elektrolyter och organiska polymerer, det laddningsbara batteriet kan fungera bra vid den extremt låga temperaturen på -70 grader Celsius, "Säger Xia.

Xia och hans team tror att detta kan vara en mer elegant lösning än alternativa försök att öka litiumjonbatterifunktionen vid extrema temperaturer. Andra batteriforskare har försökt åtgärda problemet genom att utveckla tillsatser för att värma batterierna externt eller genom att använda en flytande gaselektrolyt, men dessa lösningar kräver ytterligare material som ger extra vikt.

Xia tror att batteriets sammansättning har gott om andra produktionsvänliga egenskaper, för. "Jämfört med de övergångsmetallinnehållande elektroderna i konventionella litiumjonbatterier, organiska material är rikligt, billig, och miljövänlig, "säger han. Han uppskattar priset på elektrodmaterialen till ungefär en tredjedel av priset på elektroder i ett litiumjonbatteri.

Dock, batteriet kommer fortfarande att kräva lite justeringar innan det är redo att lämna labbet. Xia tror att den specifika energin (energin per massenhet) för batteriet fortfarande är låg jämfört med kommersialiserade litiumjonbatterier, och monteringsprocessen måste optimeras ytterligare. "Men även om den har låg specifik energi, det ger den mest lovande potentialen i speciella fältapplikationer, "Säger Xia.