مشکل باتری خودروهای برقی در سرما حل شد

بسیاری از صاحبان وسایل نقلیه الکتریکی نگران این هستند که باتری آنها در هوای بسیار سرد چقدر کارآمد خواهد بود. اکنون دانشمندان با استفاده از علم شیمی توانسته‌اند این مشکل را حل کنند.

بسیاری از صاحبان وسایل نقلیه الکتریکی نگران این هستند که باتری آنها در هوای بسیار سرد چقدر کارآمد خواهد بود. اکنون دانشمندان با استفاده از علم شیمی توانسته‌اند این مشکل را حل کنند ر باتری‌های لیتیوم فعلی،مشکل اصلی در الکترولیت مایع است. این الکترولیت جزء کلیدی باتری است چون یون‌ها را بین دو الکترود باتری منتقل می‌کند و باعث شارژ و تخلیه باتری می‌شود. اما مشکل این است که مایع در دمای زیر صفر شروع به یخ زدن می‌کند. این شرایط کارایی شارژ خودروهای برقی را در مناطق و فصول سرد به شدت محدود می‌کند. برای حل این مشکل، تیمی از دانشمندان یک الکترولیت حاوی فلوئور تولید کرده‌اند که حتی در دماهای زیر صفر نیز عملکرد خوبی دارد.ساخت و گسترش الکترولیت با دمای پایین نوید کارکرد باتری در خودروهای الکتریکی و همچنین ذخیره انرژی برای لوازم الکترونیکی مصرفی مانند رایانه‌ها و تلفن‌ها را در مناطق سرد نشان می‌دهد.

در باتری های لیتیوم یونی امروزی،الکترولیت شامل مخلوطی از نمک لیتیم هگزا فلوروفسفات و حلال‌های کربناتی مانند اتیلن کربنات است.حلال‌ها نمک را حل می‌کنند تا الکترولیت تشکیل شود.وقتی باتری شارژ می‌شود،الکترولیت مایع یون‌های لیتیم را از کاتد(یک اکسید حاوی لیتیوم) به آند (گرافیت)منتقل می‌کند.زمانی که یون‌ها از طریق الکترولیت درحال انتقال به سمت دیگر سلول گرافیتی هستند،در میانه راه در میان خوشه‌هایی از چهار یا پنج مولکول حلال قرار می‌گیرند.در طی چند بار شارژ اولیه،این خوشه ها به سطح آند برخورد کرده و یک لایه محافظ به نام فاز میانی الکترولیت جامد را تشکیل می‌دهند.پس از تشکیل،این لایه مانند یک فیلتر عمل می‌کند که فقط اجازه عبور یون‌های لیتیم را می‌دهد.به این ترتیب الکترود آند قادر است تا اتم‌های لیتیم را در ساختار گرافیت به صورت شارژ ذخیره کند.پس از تخلیه،واکنش‌های الکتروشیمیایی،الکترون‌هایی را از لیتیم آزاد کرده که می‌توانند جریان الکتریسیته را تولید کنند اما مشکل این است که در دماهای سرد،الکترولیت با حلال‌های کربنات شروع به یخ زدن می‌کند.

از آن‌جایی که در اثر سرما یون‌های لیتیم درون الکترولیت یخ می‌زنند، در نتیجه الکترولیت توانایی انتقال یون‌های لیتیم به آند را از دست می‌دهد و باتری شارژ نمی‌شود.از این رو، این یون‌ها به انرژی بسیار بالاتری برای نفوذ به لایه رابط نیاز دارند. به همین دلیل،دانشمندان به دنبال حلال بهتری هستند. این تیم چندین حلال حاوی فلوئور را بررسی کردند و توانستند ترکیبی را شناسایی کنند که دارای کمترین سد انرژی برای آزادسازی یون‌های لیتیم از محلول الکترولیت در مناطق سرد است. آنها همچنین در مقیاس اتمی مشخص کردند که چرا این ترکیب کارایی بالایی دارد. این کارایی به موقعیت اتم‌های فلوئور در هر مولکول حلال و تعداد آنها بستگی دارد.

در آزمایش با سلول‌های آزمایشگاهی، الکترولیت فلوئوردار ظرفیت ذخیره‌سازی انرژی پایدار برای اجرای ۴۰۰ چرخه شارژ-تخلیه در دمای منفی ۴ فارنهایت را حفظ کرد. حتی در این دما ظرفیت این سلول با ظرفیت یک سلول با الکترولیت حاوی کربنات برابر بود.یک داشمند گفت:«تحقیقات ما نشان داد که چگونه می‌توان ساختار اتمی حلال‌ها را برای طراحی الکترولیت‌هایی کارآمد در دماهای زیر صفر تنظیم کرد.الکترولیت ضد یخ بسیار ایمن تر از الکترولیت های مبتنی بر کربنات است زیرا احتمال آتش گرفتن آن صفر است.علاوه بر این، ما در حال ثبت اختراع الکترولیت با دمای پایین و ایمن‌تر هستیم و به دنبال یک شریک صنعتی می‌گردیم تا این اختراع را با یکی از طرح‌های آنها برای باتری‌های فعلی تطبیق دهیم.»