Evolution schématique d'une solution diluée dans le système H2O-soluté pendant le processus de refroidissement et différence entre les stratégies traditionnelles et celles proposées. Le processus de congélation implique plusieurs termes de température typiques : H2O passant à la glace (Tf), H2O passant au mélange de glace et d'eau de cristallisation (Te), H2O passant à l'eau vitreuse (Tg). Crédit : Jiang et coll. (Nature Énergie, 2024).
Les technologies de batteries capables de fonctionner de manière fiable à de très basses températures pourraient s’avérer très utiles pour un large éventail d’applications. Ces batteries pourraient, par exemple, alimenter des appareils, des véhicules et des systèmes robotiques dans l’espace, au fond des mers et dans d’autres environnements extrêmes.
Pour fonctionner de manière sûre et efficace dans ces environnements, les batteries doivent comporter des composants qui ne gèlent pas ou ne réagissent pas négativement aux baisses de température importantes. Une solution proposée est la conception de batteries aqueuses rechargeables contenant des électrolytes dits antigel.
Des chercheurs de l'Académie chinoise des sciences et d'autres instituts chinois ont récemment conçu une nouvelle stratégie pour concevoir des électrolytes antigel pour les batteries aqueuses. Cette stratégie, décrite dans un article publié dans Énergie naturellese concentre sur deux facteurs spécifiques liés à la température, qui n'ont jusqu'à présent pas été l'objectif principal de la conception d'électrolytes antigel.
“Concevoir des électrolytes antigel en choisissant des H adaptés2Les systèmes O-soluté sont cruciaux pour les batteries aqueuses à basse température (LTAB)”, ont écrit Liwei Jiang, Shuai Han et leurs collègues dans leur article.
“Cependant, l'absence d'une ligne directrice efficace pour choisir H2Les systèmes O-soluté basés sur des facteurs limitants de température décisifs entravent le développement des LTAB. Ici, nous avons identifié deux facteurs décisifs : la température eutectique thermodynamique (Te) et la température de transition vitreuse cinétique (Tg), avec Tg étant applicable pour les LTAB uniquement lorsque H2Les systèmes O-soluté ont une forte capacité de super-refroidissement.
La plupart des travaux antérieurs visant à concevoir des électrolytes antigel se sont concentrés sur la régulation du point de congélation (TF) qui est essentiellement le point exact auquel un liquide gèle et devient solide. Cela pourrait être réalisé en utilisant diverses approches différentes.
Néanmoins, TF n'est peut-être pas le facteur le plus crucial limitant le fonctionnement des batteries à basse température. En effet, certains électrolytes permettent aux batteries de fonctionner à basse température même partiellement gelées, donc en dessous de leur TF indiquer.
Dans leur article, Jiang, Han et leurs collègues se concentrent donc sur deux autres facteurs liés à la température, à savoir Te et TgLa première d'entre elles est la température la plus basse à laquelle une solution liquide reste stable à une pression donnée, tandis que la seconde est la température à laquelle la mobilité moléculaire commence à se produire et en dessous de laquelle cette mobilité se fige, provoquant une transition vers une solution rigide et vitreuse. phase.
“Nous avons proposé une stratégie générale dans laquelle le faible Te et des électrolytes à forte capacité de surrefroidissement peuvent être obtenus en créant des systèmes à solutés multiples via l'introduction de sels assistés avec des cations à potentiel ionique élevé (par exemple, Al3+Californie2+) ou des cosolvants avec un nombre élevé de donneurs (par exemple, l'éthylène glycol)”, ont écrit les chercheurs.
“À titre de démonstration dans des systèmes à base de Na, nous avons conçu des électrolytes avec une T ultra faiblee (−53,5 à −72,6 oC) et Tg (−86,1 à −117,1 oC), présentant des performances de batterie dont 80 Wh kg−1 et 5 000 cycles à 25 oC et 12,5 Wh kg−1 à −85 oC.”
Dans leur article, les chercheurs ont prouvé qu'il existait des lignes directrices détaillées pouvant être utilisées pour concevoir des électrolytes antigel pour les batteries aqueuses destinées à fonctionner à basse température. À l’avenir, ces lignes directrices pourraient s’avérer utiles à d’autres groupes de recherche, contribuant potentiellement au développement de solutions de batteries plus performantes pour des technologies conçues pour être déployées dans l’espace, en haute mer et dans d’autres contextes caractérisés par des températures extrêmement basses.
Plus d'information:
Liwei Jiang et al, Conception rationnelle d'électrolytes antigel pour batteries aqueuses à température extrêmement basse, Énergie naturelle (2024). DOI : 10.1038/s41560-024-01527-5
© 2024 Réseau Science X
Citation: Une stratégie pour concevoir des électrolytes antigel pour les batteries pouvant fonctionner dans des environnements extrêmement froids (31 mai 2024) récupéré le 31 mai 2024 sur
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