Se ha desarrollado con éxito una nueva batería de iones de litio que puede soportar el frío y el calor extremos
Se ha desarrollado con éxito una nueva batería de iones de litio que puede soportar el frío y el calor extremos.
Se ha desarrollado con éxito una nueva batería de iones de litio que puede soportar el frío y el calor extremos. Ingenieros de la Universidad de California en San Diego han desarrollado una batería de iones de litio que funciona bien en temperaturas extremadamente frías y calientes, y se ha desarrollado con éxito una nueva batería de iones de litio que puede soportar temperaturas extremas de frío y calor. Se ha desarrollado con éxito una nueva batería de iones de litio que puede soportar frío y calor extremos 1
Recientemente, ingenieros de la Universidad de California en San Diego (UCSD) han desarrollado una nueva batería de iones de litio que se dice Para poder soportar el frío extremo, funciona bien a altas temperaturas y al mismo tiempo almacena grandes cantidades de energía.
Según los investigadores, esta "hazaña" se logró desarrollando un nuevo tipo de electrolito. Este electrolito no solo es robusto y duradero en un amplio rango de temperaturas, sino que también es compatible con ánodos y cátodos de alta energía. Los resultados de la investigación anteriores se publicaron recientemente en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias (PNAS).
Zheng Chen, profesor de nanoingeniería en la Escuela de Ingeniería Jacobs de UCSD y autor principal del estudio, dijo que las baterías de vehículos desarrolladas en base a esta tecnología pueden funcionar incluso en climas fríos. También permite que los vehículos eléctricos viajen más lejos. Además, reducen la necesidad de sistemas de refrigeración para evitar que la batería del vehículo se sobrecaliente en climas cálidos.
Chen explicó: “Las altas temperaturas son un desafío importante para las baterías de los automóviles. En los vehículos eléctricos, el paquete de baterías suele estar ubicado en el chasis, más cerca de la carretera caliente. Además, la batería se verá afectada. corriente durante el funcionamiento. Al calentarse, si las baterías no pueden soportar esta alta temperatura, su rendimiento se degradará rápidamente.
En las pruebas, la batería retuvo 87,5 y 115,9 capacidades de energía a -40°C y 50°C, respectivamente. A estas temperaturas, también tienen altas eficiencias culombicas de 98,2 y 98,7, respectivamente, lo que significa que la batería puede pasar por más ciclos de carga y descarga antes de dejar de funcionar.
Las excelentes propiedades mencionadas anteriormente se deben al electrolito único desarrollado por Chen y sus colegas. Está elaborado a partir de una solución líquida de éter dibutílico mezclado con una sal de litio. Una característica del éter dibutílico es que sus moléculas están débilmente unidas a iones de litio. En otras palabras, cuando la batería está funcionando, las moléculas de electrolito pueden liberar fácilmente iones de litio.
En un estudio anterior, los investigadores descubrieron que esta interacción molecular débil puede mejorar el rendimiento de la batería a temperaturas bajo cero. Además, el éter dibutílico absorbe calor fácilmente porque permanece líquido a altas temperaturas (el punto de ebullición es 141°C).
Ventajas adicionales
Además, otra particularidad de este electrolito es que es compatible con baterías de litio-azufre, que son recargables. Una batería con ánodo hecho de litio metálico y un cátodo hecho de azufre. Las baterías de litio-azufre son un componente importante de la tecnología de baterías de próxima generación debido a su mayor densidad de energía y menor costo.
Se entiende que las baterías de litio-azufre almacenan el doble de energía por kilogramo que las baterías de iones de litio actuales, lo que puede duplicar la autonomía de los vehículos eléctricos sin aumentar el peso del paquete de baterías. Además, el azufre es más abundante que el cobalto utilizado en los cátodos de las baterías de iones de litio convencionales.
Pero las baterías de litio-azufre también tienen problemas. Tanto el cátodo como el ánodo son superactivos. El cátodo de azufre es muy reactivo y se disolverá durante el funcionamiento de la batería; este problema empeora a altas temperaturas. Los ánodos de metal de litio son propensos a desarrollar dendritas, lo que puede provocar cortocircuitos en las baterías e incluso provocar incendios. Por lo tanto, las baterías de litio-azufre sólo se pueden reciclar unas pocas docenas de veces como máximo.
"Si quieres una batería de alta densidad de energía, generalmente necesitas usar productos químicos muy duros y complejos", dijo Chen. "Una alta energía significa que ocurren más reacciones, lo que. significa menos estabilidad, más degradación. Hacer una batería estable de alta energía es una tarea difícil en sí misma, y tratar de hacerlo en un rango de temperatura más amplio es aún más desafiante.
El electrolito de éter dibutílico desarrollado por el equipo de investigación de la UCSD previene estos problemas, incluso a temperaturas extremas, las baterías que probaron tenían un ciclo de vida más largo que las baterías típicas de litio-azufre. lados del cátodo y del ánodo, al tiempo que proporciona alta conductividad y estabilidad". Se ha desarrollado con éxito una nueva batería de iones de litio que puede soportar frío y calor extremos 2
Ingenieros de la Universidad de California, San Diego, EE. UU. Se ha desarrollado una batería de iones de litio que funciona bien en temperaturas extremadamente frías y calientes y al mismo tiempo almacena grandes cantidades de electricidad, según un artículo publicado esta semana en Proceedings of the National Academy of Sciences que describe la tolerancia a la temperatura. > Estas baterías podrían permitir que los vehículos eléctricos en climas fríos funcionen con una sola carga, dijo Zheng Chen, profesor de nanoingeniería en la Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego y autor principal del estudio. También reducen aún más la necesidad de sistemas de refrigeración; para evitar que la batería de un vehículo se sobrecaliente en climas cálidos.
Los investigadores prueban las baterías a temperaturas bajo cero: David Baillot/Universidad de California, San Diego
En las pruebas, la prueba de ello. -Las celdas conceptuales conservaron el 87,5 y el 115,9 de su capacidad de energía eléctrica a -40°C y 50°C, respectivamente. A estas temperaturas, también tenían un 98,2% y una alta eficiencia coulómbica de 98,7, lo que significa que la batería puede cargarse más. y ciclos de descarga antes de detenerse.
Esta vez, los investigadores desarrollaron un electrolito mejor que es resistente al frío y al calor y compatible con ánodos y cátodos de alta energía. Solución de éter dibutílico mezclada con una sal de litio. Una característica del éter dibutílico es que sus moléculas se unen débilmente a los iones de litio cuando la batería está funcionando, las moléculas de electrolito pueden liberar fácilmente iones de litio. Lo importante de este electrolito es que es compatible con las baterías de litio-azufre, que son una parte importante de la próxima generación de tecnología de baterías a medida que estén disponibles. Mayor densidad de energía y menor costo. Pero tanto el cátodo como el ánodo de las baterías de litio-azufre lo son. Extremadamente reactivo a altas temperaturas, el ánodo de metal de litio tiende a formar estructuras en forma de agujas llamadas dendritas que pueden perforar ciertas partes de la batería, provocando un cortocircuito. Solo duran unas pocas docenas de ciclos. El electrolito de éter dibutílico previene estos problemas, incluso a temperaturas altas y bajas. Lo mismo ocurre con las celdas que probaron que tenían ciclos de vida más largos que las baterías típicas de litio-azufre. injertándolo en un polímero, lo que evita que se disuelva más azufre en la electrólisis.
El equipo dijo que los próximos pasos en la investigación incluirán expandir la química de la batería, optimizarla para que funcione a temperaturas más altas y más. Ampliación del ciclo de vida de nuevos litios que pueden soportar frío y calor extremos Batería de iones desarrollada con éxito 3
Un nuevo tipo de batería de iones de litio puede funcionar tanto a una temperatura baja de -40°C como a una alta. temperatura de 50°C. Este nuevo tipo de cátodo de batería está hecho de azufre y la batería puede almacenar más energía. Este es un nuevo estudio de la Universidad de California, San Diego (UCSD).
Esta batería podría aumentar la autonomía de los vehículos eléctricos en temperaturas frías. Además, se pueden utilizar en satélites, naves espaciales, drones de gran altitud y submarinos. "Al ampliar enormemente la ventana operativa de las baterías de litio, podemos proporcionar electroquímicas más potentes para aplicaciones más allá de los vehículos eléctricos", dijo Zheng Chen, profesor de nanoingeniería en la UCSD.
Actualmente, las baterías utilizan ánodos de grafito y cátodos de óxido metálico de litio, una combinación que no soporta bien las temperaturas extremas. Las altas temperaturas pueden exacerbar el ambiente químico ya altamente activo dentro de la batería, desencadenando reacciones secundarias que descomponen el electrolito y otros materiales de la batería, causando daños irreversibles. Al mismo tiempo, las bajas temperaturas espesan el electrolito líquido, por lo que los iones de litio se mueven lentamente a través de él, provocando pérdida de energía y carga lenta.
Los métodos de aislamiento o calentamiento de la batería desde el interior pueden ayudar a solucionar el problema de las bajas temperaturas.
Los investigadores también han diseñado previamente electrolitos para ampliar el rango de temperatura de la batería, pero esto podría mejorar el rendimiento a temperaturas bajas o altas, pero no a ambas.
La investigación "Criterios de selección de disolventes para baterías de litio y azufre resistentes a la temperatura" realizada por el equipo del profesor Chen Zheng se publicó en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias (PNAS) el 5 de julio. resistentes En el corazón de las baterías de temperaturas extremas está la búsqueda de un nuevo electrolito.
Crearon el electrolito disolviendo una sal de litio en un disolvente de éter dibutílico. A diferencia de los disolventes de carbonato de etileno utilizados en las baterías, el nuevo material no se congela a temperaturas de -100°C y no se evapora fácilmente. Además, sus moléculas de disolvente se unen débilmente a los iones de litio, por lo que los iones de litio se mueven más libremente en su interior, incluso a temperaturas bajo cero.
El equipo de la UCSD resolvió el problema de la degradación del cátodo de azufre uniendo azufre a un sustrato plástico. Al mismo tiempo, el nuevo electrolito permite el transporte uniforme de los iones de litio, por lo que no tienen posibilidad de pegarse y formar dendritas.
En las pruebas en equipo, la batería prototipo duró 200 ciclos y mantuvo más del 87% de su capacidad original a -40°C. A 50°C, la capacidad de la batería aumenta en un 15%, dijo el profesor Chen Zheng, porque las temperaturas más altas aumentan la transferencia de carga y la difusión de iones de litio a través del electrolito y sobre los electrodos, empujando así los límites de capacidad y energía de la batería.
Guorui Cai, primer autor del estudio e investigador postdoctoral en nanoingeniería de la UCSD, preparó una celda de batería para realizar pruebas a temperaturas bajo cero.
Otra de las particularidades de este electrolito es que es compatible con las baterías de litio-azufre, que son baterías recargables con un ánodo de litio metálico y un cátodo de azufre. Las baterías de litio-azufre son una parte importante de la tecnología de baterías de próxima generación debido a su mayor densidad de energía y menor costo.
Almacenan el doble de energía por kilogramo que las baterías de iones de litio actuales, lo que podría duplicar la autonomía de los vehículos eléctricos sin aumentar el peso del paquete de baterías. Además, el azufre es una fuente más abundante y menos problemática que el cobalto utilizado en los cátodos de las baterías de iones de litio convencionales.
Pero las baterías de litio-azufre tienen otros problemas: tanto sus cátodos como sus ánodos son demasiado activos. Los cátodos de azufre son tan reactivos que se disuelven durante el funcionamiento con batería. Este problema empeora con las altas temperaturas. Los ánodos de metal de litio tienden a formar estructuras en forma de agujas llamadas dendritas, que pueden perforar partes de la batería y provocar un cortocircuito. Como resultado, las baterías de litio-azufre sólo pueden durar unas pocas docenas de ciclos.
"Si quieres una batería con alta densidad de energía, normalmente necesitas utilizar productos químicos muy precisos y complejos", afirmó Chen Zheng. "La alta energía significa que se están produciendo más reacciones, lo que significa menos estabilidad y más degradación. Hacer una batería estable de alta energía es una tarea difícil en sí misma; intentar hacerlo en un amplio rango de temperaturas. Es más desafiante".
El electrolito de éter dibutílico desarrollado por el equipo de investigación de la UCSD previene estos problemas, incluso a temperaturas altas y bajas. Las baterías que probaron tenían ciclos de vida más largos que las baterías típicas de litio-azufre. "Nuestro electrolito ayuda a mejorar los lados del cátodo y del ánodo, al tiempo que proporciona una alta conductividad y estabilidad de la interfaz", afirmó Chen Zheng.
El equipo también diseñó un cátodo de azufre más estable injertándolo en un polímero. Esto evita que se disuelva más azufre en el electrolito.
Los próximos pasos incluyen ampliar la química de la batería, optimizarla para que funcione a temperaturas más altas y extender aún más el ciclo de vida.
Chen Zheng, profesor de nanoingeniería en la UCSD.
Un aumento de capacidad no es necesariamente algo bueno, ya que también puede sobrecargar la batería.
Para resolver este problema, los investigadores deben mejorar aún más la química de la batería para que pueda durar más ciclos de carga. También planean aumentar la densidad de energía mediante más ingeniería celular. Actualmente, las nuevas baterías son sólo un poco más densas que las baterías de iones de litio actuales y no están muy lejos de la promesa teórica del litio-azufre. "Podemos aumentar la densidad de energía al menos en un 50%", dijo Chen Zheng. "Esto es esperanza, esto es promesa."