Batteriteknik som kan fungera tillförlitligt vid mycket låga temperaturer kan vara mycket värdefull för en rad olika tillämpningar. Dessa batterier skulle till exempel kunna driva enheter, fordon och robotsystem i yttre rymden, djupt under havet och i andra extrema miljöer.
För att fungera säkert och effektivt i dessa miljöer bör batterierna ha komponenter som inte fryser eller reagerar negativt på betydande temperaturfall. Ett förslag till lösning är att konstruera uppladdningsbara vattenbatterier som innehåller så kallade antifrysande elektrolyter.
Forskare vid Chinese Academy of Sciences och andra institut i Kina har nyligen utvecklat en ny strategi för att konstruera frysskyddande elektrolyter för vattenbatterier. Strategin, som beskrivs i en artikel som publiceras i Nature Energy, fokuserar på två specifika temperaturrelaterade faktorer, som hittills inte har varit det primära fokuset vid utformningen av frysskyddande elektrolyter.
”Att utforma frysskyddande elektrolyter genom att välja lämpliga H2O-lösningssystem är avgörande för vattenbaserade batterier med låg temperatur”, skriver Liwei Jiang, Shuai Han och deras kollegor i sin artikel.
”Avsaknaden av en effektiv riktlinje för att välja H2O-lösningssystem baserat på avgörande temperaturbegränsande faktorer hindrar dock utvecklingen av LTAB. Här har vi identifierat två avgörande faktorer: termodynamisk eutektisk temperatur (Te) och kinetisk glasövergångstemperatur (Tg), där Tg endast är tillämplig för LTAB när H2O-solute-system har stark superkylningsförmåga.”
De flesta tidigare arbeten som syftat till att utforma frysskyddande elektrolyter har fokuserat på att reglera den så kallade fryspunkten (Tf), vilket i princip är den exakta punkt där en vätska fryser och blir fast. Detta kan uppnås med hjälp av en mängd olika tillvägagångssätt.
Trots detta är det inte säkert att Tf är den viktigaste faktorn som begränsar batteridriften vid låga temperaturer. Faktum är att vissa elektrolyter gör det möjligt för batterier att fungera vid låga temperaturer även när de är delvis frysta, alltså under deras Tf-punkt.
I sin artikel fokuserar Jiang, Han och deras kollegor därför på två andra temperaturrelaterade faktorer, nämligen Te och Tg. Den första av dessa är den lägsta temperatur vid vilken en flytande lösning förblir stabil vid ett givet tryck, medan den senare är den temperatur vid vilken molekylär rörlighet börjar uppstå och under vilken denna rörlighet blir frusen, vilket leder till en övergång till en stel och glasartad fas.
”Vi föreslog en allmän strategi där elektrolyter med låg Te och stark superkylningsförmåga kan realiseras genom att skapa system med flera lösningar genom att införa assisterade salter med katjoner med hög jonpotential (till exempel Al3+, Ca2+) eller cosolvents med höga givarnummer (till exempel etylenglykol)”, skrev forskarna.
”Som en demonstration i Na-baserade system designade vi elektrolyter med ultralåg Te (-53,5 till -72,6 oC) och Tg (-86,1 till -117,1 oC) och visade upp batteriprestanda inklusive 80 Wh kg-1 och 5.000 cykler vid 25 oC och 12,5 Wh kg-1 vid -85 oC.”
I sin artikel visar forskarna att det finns en detaljerad riktlinje som kan användas för att utforma frysskyddande elektrolyter för vattenbatterier som är avsedda att användas vid låga temperaturer. I framtiden kan dessa riktlinjer visa sig vara användbara för andra forskargrupper och potentiellt bidra till utvecklingen av bättre batterilösningar för teknik som är avsedd att användas i rymden, i djuphavet och i andra miljöer som kännetecknas av extremt låga temperaturer.
Ytterligare information: Liwei Jiang et al, Rational design of anti-freezing electrolytes for extremely low-temperature aqueous batteries, Nature Energy (2024). DOI: 10.1038/s41560-024-01527-5
