Ingeniører evaluerer de faktorer, der påvirker batteriets ydeevne ved lave temperaturer

Energilagring med genopladelige batteriteknologier driver vores digitale livsstil og understøtter integration af vedvarende energi i elnettet. Batterifunktion under kolde forhold er dog en vedvarende udfordring, der motiverer forskere til at forbedre batteriernes ydeevne ved lav temperatur. Vandige batterier (i en flydende opløsning) klarer sig bedre end ikke-vandige batterier med hensyn til hastighedskapacitet (et mål for energi afladet pr. tidsenhed) ved lave temperaturer.

Ny forskning fra ingeniører ved China University of Hong Kong offentliggjort den 17. april i Nano Research Energy foreslår optimale designelementer af vandige elektrolytter til brug i lavtemperatur vandige batterier. Forskningen gennemgår de fysisk-kemiske egenskaber af vandige elektrolytter baseret på flere metrikker:fasediagrammer, iondiffusionshastigheder og redoxreaktionernes kinetik.

Hovedudfordringerne for lavtemperaturvandige batterier er, at elektrolytterne fryser, ionerne diffunderer langsomt, og redoxkinetikken (elektronoverførselsprocesser) følgelig er træg. Disse parametre er tæt forbundet med de fysisk-kemiske egenskaber af de vandige lavtemperaturelektrolytter, der anvendes i batterier.

For at forbedre batteriets ydeevne under kolde forhold kræver det derfor forståelse af, hvordan elektrolytterne reagerer på kulde (–50 ^o C til –95 ^o C). Undersøgelsesforfatter og lektor Yi-Chun Lu siger, at "for at opnå højtydende lavtemperatur-vandige batterier (LT-AB'er), er det vigtigt at undersøge de temperaturafhængige fysisk-kemiske egenskaber af vandige elektrolytter for at vejlede designet af lavtemperatur-vandige elektrolytter (LT). -AE'er)."

Evaluering af vandige elektrolytter

Forskerne sammenlignede forskellige LT-AE'er brugt i energilagringsteknologier, herunder vandig Li ⁺ /Na ⁺ /K ⁺ /H ⁺ /Zn ²⁺ -batterier, superkondensatorer og flowbatterier. Undersøgelsen indsamlede oplysninger fra mange andre rapporter vedrørende ydeevnen af ​​forskellige LT-AE'er, for eksempel en frostbeskyttelseshydrogelelektrolyt til en vandig Zn/MnO₂ batteri; og en ethylenglycol (EG)-H₂ O-baseret hybridelektrolyt til et Zn-metalbatteri.

Undersøgelsen undersøgte systematisk ligevægts- og ikke-ligevægtsfasediagrammer for disse rapporterede LT-AE'er for at forstå deres frostsikringsmekanismer. Fasediagrammerne viste, hvordan elektrolytfasen ændrer sig på tværs af skiftende temperaturer. Studiet undersøgte også ledningsevne i LT-AE'er med hensyn til temperatur, elektrolytkoncentrationer og ladningsbærere.

Studieforfatter Lu forudsagde, at "ideelle frostvæske, vandige elektrolytter ikke kun skulle udvise lav frysetemperatur T _m men har også en stærk underafkølingsevne", dvs. det flydende elektrolytmedium skal forblive flydende selv under frysepunktet, hvilket muliggør iontransport ved ultralav temperatur.

Undersøgelsens forfattere fandt, at LT-AE'erne, der gør det muligt for batterier at fungere ved ultralave temperaturer, for det meste viser lave frysepunkter og stærke superkølingsevner. Yderligere foreslår Lu, at "den stærke underafkølingsevne kan realiseres ved at forbedre den minimale krystallisationstid τ og øge forholdsværdien mellem glasovergangstemperatur og frysetemperatur (T _g /T _m ) af elektrolytter."

Ladningskonduktiviteten af ​​de rapporterede LT-AE'er til brug i batterier kunne forbedres ved at sænke mængden af ​​energi, der kræves for at ionoverførsel kan finde sted, justere koncentrationen af ​​elektrolytter og vælge visse ladningsbærere, der fremmer hurtige redoxreaktionshastigheder. Lu siger, at "at sænke diffusionsaktiveringsenergien, optimere elektrolytkoncentrationen, vælge ladningsbærere med lav hydreret radius og designe samordnede diffusionsmekanismer ville være effektive strategier til at forbedre den ioniske ledningsevne af LT-AE'er."

I fremtiden håber forfatterne på yderligere at studere de fysisk-kemiske egenskaber af elektrolytter, der bidrager til forbedret vandig batteriydelse ved lave temperaturer. "Vi vil gerne udvikle højtydende lavtemperatur-vandige batterier (LT-AB'er) ved at designe vandige elektrolytter med lav frysetemperatur, stærk superkølingsevne, høj ionisk ledningsevne og hurtig grænseflade redoxkinetik," siger Lu. + Udforsk yderligere

Udvikling af et bredt temperaturområde og højspændingsvandige MXene plane mikro-superkondensatorer