Это нововведение устраняет серьезный недостаток современных батарей электромобилей и резервных аккумуляторов, которые часто выходят из строя из-за замерзания жидкого электролита.
Когда в начале 2024 года Чикаго охватил полярный вихрь, городские станции зарядки электромобилей превратились в кладбища автомобилей. Десятки вывезли неисправных Tesla, поскольку батареи перестали работать на морозе.
Это стало тревожным сигналом для перехода к экологически чистой энергетике: если батареи не справятся с суровой зимой, то и технологии не смогут справиться с будущим.
Для решения этой задачи исследователи из Техасского университета A&M под руководством доктора Джоди Люткенхаус разработали новую полимерную батарею, предназначенную для работы в условиях экстремально низких температур.
Это нововведение устраняет серьезный недостаток современных батарей электромобилей и резервных аккумуляторов, которые часто выходят из строя из-за замерзания жидкого электролита.
«Мы можем это сделать, потому что заменяем жидкий электролит, который замерзает, другим электролитом, который не замерзает. Мы также заменяем твердые неорганические материалы, которые медленно работают при низких температурах, мягкими полимерными материалами, которые работают немного быстрее», — сказал Луткенхаус, профессор химической инженерии и заместитель декана по исследованиям в инженерном колледже.
Незамерзающий электролит
В стандартных литий-ионных батареях для передачи заряда используется жидкий электролит. При резком понижении температуры эта жидкость густеет или замерзает, полностью прекращая поток энергии.
«Если этот электролит замерзнет, то передача заряда станет невозможной. Следовательно, батарея не будет заряжаться или разряжаться», — сказал Люткенхаус.
«Мы столкнулись с точно такой же проблемой во время похолодания в Чикаго в 2024 году, когда батареи электромобилей настолько охладились и замерзли, что не заряжались на своих зарядных станциях», — добавил автор.
Для повышения эффективности работы в условиях низких температур исследовательская группа разработала органическую двухъионную батарею, в которой стандартные жесткие неорганические электроды заменены гибкими редокс-активными полимерами. Эти гибкие органические материалы позволяют ионам свободно перемещаться даже при температуре -40°C.
Полимер был соединен с электролитом на основе диглима — специальным раствором, который остается жидким и функциональным при экстремальных температурах, где стандартные аккумуляторные жидкости обычно кристаллизуются и перестают работать.
В ходе испытаний конструкция позволила снизить потери мощности в условиях низких температур, сохраняя 85% своей мощности при 0°C и 55% при -40°C без снижения удельной мощности.
Интеграция углеродного волокна
Кроме того, исследователи повысили долговечность, заменив тяжелые и хрупкие металлические коллекторы на изделия из углеродного волокна.
Это нововведение позволило создать «конструкционную батарею», выполняющую двойную функцию: хранение энергии и обеспечение физической прочности, необходимой для поддержки рамы транспортного средства или устройства.
Такая конструкция снижает общий вес и предотвращает механическое растрескивание, часто встречающееся у стандартных батарей в суровых условиях эксплуатации.
Существующие батареи выходят из строя на холоде, поскольку движение ионов замедляется до минимума, но новая конструкция предотвращает этот сбой благодаря сочетанию низкотемпературного электролита и гибких полимерных электродов.
Эта разработка представляет собой важный шаг на пути к созданию надежных систем хранения энергии, устойчивых к зимним условиям, которые смогут обеспечить электропитание всего, от портативных устройств до национальной энергосети.
«Во время сильных штормов или похолоданий электросети могут выйти из строя. Аккумуляторы могут компенсировать эти отключения и перебои в электроснабжении», — сказал Луткенхаус. «Если мы хотим иметь энергетическую систему, устойчивую к любым временам года, нам нужны накопители энергии, не подверженные колебаниям температуры».
Хотя технология все еще находится в стадии разработки, она показывает, что материаловедение может решить давние проблемы в области энергетики — хотя пока доктор Люткенхаус по-прежнему рекомендует простое решение: парковать электромобиль в теплом гараже, чтобы предотвратить замерзание существующих батарей.
Результаты исследования были опубликованы в журнале Journal of Materials Chemistry A.
Sourse: interestingengineering.com
