När temperaturen faller under fryspunkten kan litiumjonbatterier inte hålla lika mycket laddning, så de laddas inte så bra. Forskare från Kinas Jiaotong-universitet säger att de nu har övervunnit detta problem genom att ersätta den traditionella grafitanoden i dessa enheter med ett "klumpigt" kolbaserat material. Den nya strukturen bibehåller sin uppladdningsbara lagringskapacitet ner till -20°C, vilket gör att den kan användas i kalla miljöer som de som finns på höga höjder, i rymdtillämpningar och för djuphavsutforskning, såväl som i andra elfordon som måste arbeta under extrema förhållanden.

Litiumjonbatterier används i stor utsträckning i applikationer som sträcker sig från mobiltelefoner till elfordon. Dessa enheter har hög kapacitet och hög energitäthet, vilket gör att de kan lagra mycket laddning mycket snabbt. Under laddningen rör sig litiumjoner från katoden till anoden genom en elektrolyt, som vanligtvis är gjord av ett litiumsalt löst i ett flytande organiskt lösningsmedel. Vid temperaturer nära noll grader Celsius kan dock anoderna i dessa enheter misslyckas med att överföra någon laddning – ett fenomen som kallas allvarlig kapacitetsförsämring.

Modifierad anodytstruktur

Forskare upptäckte nyligen att den platta orienteringen av grafit i litiumjonbatteriets anod är ansvarig för att minska batteriets energilagringskapacitet vid kalla temperaturer. I det nya arbetet har ett team av forskare under ledning av Wang Xi  of Jiaotong University's School of Physical Science and Engineering och Jiannian Yao från Beijing National Laboratory for Molecular Sciences valde därför att modifiera ytstrukturen hos denna anod i ett försök att förbättra energiöverföringsprocessen i elektroden.

För att göra sitt nya "klumpiga" material började Wang, Yao och kollegor med att värma ett kobolthaltigt zeolitmaterial, kallat ZIF-67, vid höga temperaturer. Detta skapar en yta gjord av 12-sidiga kolnanosfärer som har en positiv krökning, som en skål. Materialet har en reversibel kapacitet – ett mått på ett batteris kapacitet efter många cykler – på 624 mAh/g vid -20°C, vilket motsvarar 85.9 % av dess rumstemperaturenergikapacitet. Även vid -35°C bibehölls den reversibla kapaciteten vid 160 mAh/g efter 200 cykler.

Utökar användningsområdet för Li-ion-batterier

Forskarnas beräkningar avslöjade att den nyligen ojämna ytan i själva verket väcker det tröga beteendet hos Li-jonanoden vid låg temperatur tack vare den lokala ackumuleringen av laddningar som upptar icke-coplanar sp.² hybridiserade orbitaler. Dessa ackumulerade avgifter underlättar avgiftsöverföringsprocessen.

"Detta arbete kan utöka tillämpningsområdet för Li-ion-batterier vid låga temperaturer," säger Wang. "Ur ett teoretiskt perspektiv skulle tanken vara att bygga en bro mellan lågtemperaturprestandan hos Li⁺ lagring och dess geometri genom den elektroniska strukturen, vilket kan öppna upp nya forskningsvägar för avancerade elektrodmaterial, säger han. Fysikvärlden.

Forskarna medger att den nya anoden är långt ifrån optimerad och att det fortfarande finns många okända saker att lösa. "Vi söker naturligtvis samarbete från andra laboratorier för att ytterligare utöka det praktiska i detta arbete", säger Wang.

De detaljerar sin studie i ACS Cent. Sci.