Figur som visar elektrolytens designstrategi och egenskaper. Upphovsman:Fan et al.
Elektrolyter är kemiska komponenter som möjliggör flödet av joner mellan katoden och anoden inuti batterier, i slutändan tillhandahålla elektrisk kraft till tekniska enheter. De flesta konventionella och lättillgängliga icke-vattenhaltiga litiumjonbatterier tillverkas med karbonatbaserade elektrolyter.
Trots deras utbredda användning, de mycket brandfarliga karbonatelektrolyterna begränsar kraftigt de temperaturer vid vilka ett batteri kan fungera korrekt på grund av deras höga affinitet mellan deras kemiska lösningsmedel och jonerna inuti batterierna. Detta resulterar i att de flesta karbonatelektrolytbaserade batterier bara fungerar säkert mellan -20 ° C och +50 ° C, eller vid spänningar mellan 0,0 och 4,3V.
Med detta i åtanke, ett team av forskare under ledning av professor Chunsheng Wang vid University of Maryland i USA och andra forskare vid Zhejiang University i Kina har nyligen tillverkat en ny typ av batteri som kan fungera vid ett bredare temperaturintervall, med användning av fluorerade elektrolyter med opolära lösningsmedel. Dessa fluorerade elektrolyter är icke brandfarliga, möjliggör en hög elektrokemisk stabilitet inom ett bredare intervall temperaturer och spänningar än karbonatelektrolyter.
"I nuvarande elektrolyter, fönstret för elektrokemisk stabilitet och fönstret för driftstemperatur kan inte nå maximalt samtidigt på grund av inneboende begränsning av elektrolyternas solvationsstruktur, "Xiao Ji, en av forskarna som genomförde studien, berättade TechXplore. "Genom att minska litiumjonen och binda till lösningsmedel genom tillsats av ett antisolvent, vi frikopplade elektrolyternas elektrokemiska och fysiska egenskap och utvecklade all temperatur (-95 o C till +60 o C) och all spänning (från 0,0V till 5,6V) Li-jonbatterielektrolyter. "Sa Dr. Xiulin Fan, tidningens första författare.
Väsentligen, Ji och hans kollegor kunde tämja affiniteten mellan kemiska lösningsmedel och Li-joner i batterier genom att lösa fluorerade elektrolyter i högfluorerade icke-polära lösningsmedel (dvs. lösningsmedel som innehåller bindningar mellan atomer med liknande elektronegativiteter). Elektrolyterna de använde möjliggör en hög elektrokemisk stabilitet i ett brett spänningsfönster på 0,0 till 5,6 V, samt höga joniska konduktiviteter inom ett brett temperaturintervall mellan -125 och +70 ° C.
Digitala bilder för (a) 1,28 M LiFSI-FEC/FEMC-D2 och (b) 0,7 M LiBETIFEC/DEC-M3 efter att ha hållit dem vid -95 ° C i 3 timmar. Efter helt nedsänkt i -95 ° C i 3 timmar, elektrolytflaskorna bottnade uppåt. De röda pilarna visar vätskenivån i dessa två elektrolyter. Inga avlagringar eller fasseparationer dyker upp i dessa två elektrolyter. Upphovsman:Fan et al.
Med de fluorerade elektrolyterna, forskarna fann att LiNi 0,8 Co 0,15 Al 0,05 O 2 katoder uppnådde hög Coulombic effektivitet på 99,9 procent, mellan −95 och +70 ° C, medan aggressiva Li-anoder och högspänningen (5,4 V) LiCoMnO 4 uppnått Coulombic effektivitet på 99,4 procent och 99 procent, respektive. Dessutom, även vid −85 ° C, batteriet kan fortfarande leverera ~ 50 procent av sin rumstemperaturkapacitet.
"Li -jontransportbarriärerna minskar dramatiskt i vår elektrolyt, elektrolytens vätskeområde är kraftigt breddat, "Chunsheng Wang sa." Dessutom, den utvecklade elektrolyten tål en mycket högre spänning jämfört med de konventionella kommersialiserade karbonatelektrolyterna. Därför, batterierna baserade på vår elektrolyt kan fungera inom ett mycket större temperaturintervall. "
De fluorerade elektrolyter som används av Wang och hans kollegor har hittills visat sig vara mer effektiva än karbonatelektrolyter, uppnå en hög elektrokemisk stabilitet inom ett bredare spänningsfönster och höga joniska konduktiviteter vid ett större temperaturintervall. Eftersom de är helt obrännbara, de är också mycket säkrare än karbonatelektrolyter. I framtiden, elektrolyterna som föreslås av detta team av forskare kan användas för att bygga högpresterande batterier som också kan fungera i extrema klimat, till exempel i Arktis eller i den afrikanska savannen.
"Vi kommer nu att försöka optimera sammansättningen av batterierna som vi utvecklat för att minska deras kostnad och också samarbeta med batteriindustrin för att kommersialisera alla temperaturbatterier, "Fläkt tillagt.
© 2019 Science X Network
