Onderzoekers in China hebben een batterij ontwikkeld met elektroden van organische verbindingen die kunnen functioneren bij -70 graden Celsius - veel kouder dan de temperatuur waarbij lithium-ionbatterijen het grootste deel van hun vermogen om energie te geleiden en op te slaan verliezen. De bevindingen, gepubliceerd op 28 februari in het tijdschrift Joule , zou ingenieurs kunnen helpen bij het ontwikkelen van technologie die geschikt is om de koudste uithoeken van de ruimte of de meest ijskoude gebieden op aarde te weerstaan.

Hoewel batterijen in relatief koude klimaten kunnen werken, ze hebben hun grenzen. De meeste presteren op slechts 50% van hun optimale niveau wanneer de temperatuur -20 graden Celsius bereikt, en bij -40 graden Celsius, lithium-ionbatterijen hebben slechts ongeveer 12% van hun capaciteit bij kamertemperatuur. Dit kan ernstig beperkend zijn als het gaat om het gebruik van batterijen in de ruimte, waar de temperatuur kan dalen tot -157 graden Celsius, of zelfs in delen van Canada en Rusland, waar de temperatuur lager kan zijn dan -50 graden Celsius.

Maar een team van batterijonderzoekers heeft een ontwerp gevonden dat kan functioneren, zelfs waar andere batterijen zouden kunnen falen. "Het is algemeen bekend dat zowel de elektrolyt (het chemische medium dat ionen tussen de elektroden draagt) als de elektroden (de positief geladen kathode en de negatief geladen anode) grote invloed hebben op de batterijprestaties, " zegt dr. Yong-yao Xia, een batterijonderzoeker bij de afdeling Chemie van de Fudan University in Shanghai, China.

Als het koud wordt, de op esters gebaseerde conventionele elektrolyten die lithium-ionbatterijen vaak gebruiken, worden trage geleiders en de elektrochemische reacties die plaatsvinden op het grensvlak van de elektrolyt en de elektrode hebben moeite om door te gaan - wat betekent dat lithium-ionbatterijen niet zo goed standhouden in ultra -koude klimaten. Het is een probleem dat onderzoekers consequent heeft gekweld.

Het team experimenteerde met het gebruik van een op ester (ethylacetaat) gebaseerde elektrolyt, die een laag vriespunt heeft waardoor het zelfs bij extreem lage temperaturen een lading kan geleiden. Voor de elektroden, ze gebruikten twee organische verbindingen - een kathode van polytrifenylamine (PTPAn) en 1, 4, 5, 8-naftaleentetracarbonzuurdianhydride (NTCDA) afgeleide polyimide (PNTCDA) anode. In tegenstelling tot de elektroden die in lithium-ionbatterijen worden gebruikt, deze organische verbindingen zijn niet afhankelijk van intercalatie - het proces van continue integratie van ionen in hun moleculaire matrix, die vertraagt ​​naarmate de temperatuur daalt.

"Profiterend van de op ethylacetaat gebaseerde elektrolyt en organische polymeren elektroden, de oplaadbare batterij kan goed werken bij de ultra-lage temperatuur van -70 graden Celsius, "zegt Xia.

Xia en zijn team denken dat dit een elegantere oplossing kan zijn dan alternatieve pogingen om de lithium-ionbatterijfunctie bij extreme temperaturen te verbeteren. Andere batterijonderzoekers hebben geprobeerd het probleem op te lossen door additieven te ontwikkelen om de batterijen extern te verwarmen of door een vloeibaar gemaakt gaselektrolyt te gebruiken. maar deze oplossingen vereisen extra materialen die extra gewicht toevoegen.

Xia denkt dat de samenstelling van de batterij nog tal van andere productievriendelijke eigenschappen heeft, te. "Vergeleken met de overgangsmetaalhoudende elektrodenmaterialen in conventionele lithium-ionbatterijen, organische materialen zijn er in overvloed, goedkoop, en milieuvriendelijk, "zegt hij. Hij schat de prijs van de elektrodematerialen op ongeveer een derde van de prijs van elektroden in een lithium-ionbatterij.

Echter, de batterij zal nog wat moeten worden aangepast voordat hij klaar is om het lab te verlaten. Xia is van mening dat de specifieke energie (de energie per massa-eenheid) van de batterij nog steeds laag is in vergelijking met gecommercialiseerde lithium-ionbatterijen, en het assemblageproces moet verder worden geoptimaliseerd." Maar hoewel het een lage specifieke energie heeft, het biedt het meest veelbelovende potentieel in speciale veldtoepassingen, "zegt Xia.