باتری های لیتیوم یونی جدید بهبود یافته که در سرمای شدید دوام بیشتری دارند

اگر ماشین برقی دارید و در سرما رانندگی می کنید، احتمالاً به خوبی از کاهش عملکرد و برد زمانی که دما به زیر صفر می رسد آگاه هستید. حتی اگر در مکانی گرم زندگی می کنید، ممکن است در طول سفر اسکی همان اثر را در تلفن همراه خود مشاهده کرده باشید و متوجه شوید که درصد شارژ شما با وجود حداقل استفاده به سرعت کاهش می یابد.

خوشبختانه، دانشمندان سخت در حال بهبود فناوری باتری هستند، به دنبال افزایش ظرفیت، افزایش سرعت شارژ، افزایش استقامت، افزایش ایمنی، و بله، ارتقای عملکرد در دماهای بسیار سرد هستند.

زمانی که دما به زیر صفر می‌رسد، تلفن‌های همراه نیاز به شارژ مکرر دارند و خودروهای الکتریکی برد کوتاه‌تری دارند. این به این دلیل است که آند باتری‌های لیتیوم یون آنها کند می‌شوند، شارژ کمتری را نگه می‌دارند و انرژی را به سرعت تخلیه می‌کنند. برای بهبود عملکرد الکتریکی در سرمای شدید، محققانی که در ACS Central Science گزارش می دهند ، آند سنتی گرافیت را در یک باتری لیتیوم یونی با یک ماده ناهموار مبتنی بر کربن جایگزین کرده اند که ظرفیت ذخیره سازی قابل شارژ آن را تا -31 درجه فارنهایت (35-) حفظ می کند.

باتری های لیتیوم یونی برای تامین انرژی وسایل الکترونیکی قابل شارژ عالی هستند زیرا می توانند انرژی زیادی را ذخیره کنند و طول عمر بالایی دارند. اما زمانی که دما به زیر صفر می‌رسد، عملکرد الکتریکی این منابع انرژی کاهش می‌یابد و وقتی شرایط به اندازه کافی سرد باشد، نمی‌توانند باری را منتقل کنند. به همین دلیل است که برخی از افرادی که در غرب میانه ایالات متحده زندگی می کنند با ماشین های الکتریکی خود در زمستان مشکل دارند و استفاده از این باتری ها در اکتشافات فضایی خطرناک است.

اخیراً دانشمندان تشخیص دادند که جهت صاف گرافیت در آند مسئول کاهش ظرفیت ذخیره انرژی باتری لیتیوم یونی در سرما است. بنابراین، Xi Wang، Jiannian Yao و همکارانش می خواستند ساختار سطح یک ماده مبتنی بر کربن را برای بهبود فرآیند انتقال بار آند اصلاح کنند.

برای ایجاد ماده جدید، محققان چارچوب زئولیت ایمیدازولات حاوی کبالت (معروف به ZIF-67) را در دمای بالا گرم کردند. نانوکره های کربنی 12 وجهی به دست آمده دارای سطوح ناهمواری بودند که قابلیت انتقال بار الکتریکی عالی را نشان می دادند. سپس این تیم عملکرد الکتریکی مواد را به عنوان آند، با فلز لیتیوم به عنوان کاتد، در داخل یک باتری سکه‌ای آزمایش کردند. آند شارژ و تخلیه پایدار را در دماهای 77 درجه فارنهایت تا -4 درجه فارنهایت (25 درجه سانتیگراد تا -20 درجه سانتیگراد) نشان داد و 85.9٪ از ظرفیت ذخیره انرژی در دمای اتاق را درست زیر نقطه انجماد حفظ کرد

باتری ها چگونه کار میکنند؟

در مقایسه، باتری‌های لیتیوم یونی ساخته شده با دیگر آندهای مبتنی بر کربن، از جمله گرافیت و نانولوله‌های کربنی، تقریباً هیچ شارژی در دمای انجماد نداشتند. هنگامی که محققان دمای هوا را به -31 درجه فارنهایت (35- درجه سانتیگراد) کاهش دادند، آند ساخته شده با نانوکره های ناهموار همچنان قابل شارژ بود و در حین تخلیه، تقریباً 100 درصد از شارژ باتری را آزاد می کرد. به گفته محققان، ترکیب مواد نانوکره ناهموار در باتری‌های لیتیوم یونی می‌تواند امکان استفاده از این منابع انرژی را در دماهای بسیار پایین فراهم کند.