Baterije se obično proučavaju putem električnih svojstava kao što su napon i struja, ali nova istraživanja sugerišu da posmatranje kako toplota teče u kombinaciji sa električnom energijom može dati važan uvid u hemiju baterija.
Tim istraživača na Univerzitetu Ilinois Urbana-Champaign pokazao je kako proučavati hemijska svojstva ćelija litijum-jonskih baterija korišćenjem Peltierovog efekta, u kojem električna struja izaziva sistem da crpi toplotu. Objavljeno u časopisu Physical Chemistry Chemical Physics, ova tehnika im je omogućila da eksperimentalno izmere entropiju litijum-jonskog elektrolita, termodinamičke karakteristike koja može direktno da informiše o dizajnu litijum-jonske baterije.
„Naš rad se odnosi na razumevanje fundamentalne termodinamike rastvorenih litijum jona, informacije za koje se nadamo da će voditi razvoj boljih elektrolita za baterije“, rekao je Dejvid Kejhil, profesor nauke o materijalima i inženjeringa Univerziteta I. i vođa projekta. „Merenje povezanog transporta električnog naboja i toplote u Peltierovom efektu omogućava nam da zaključimo entropiju, količinu koja je usko povezana sa hemijskom strukturom rastvorenih jona i načinom na koji oni stupaju u interakciju sa drugim delovima baterije.“
Peltierov efekat je dobro proučen u čvrstim sistemima gde se koristi u hlađenju i hlađenju. Međutim, ostaje uglavnom neistražen u jonskim sistemima kao što je litijum elektrolit. Razlog je taj što su temperaturne razlike nastale Peltierovim zagrevanjem i hlađenjem male u poređenju sa drugim efektima.
Da bi prevazišli ovu barijeru, istraživači su koristili merni sistem sposoban da razreši stohiljaditi deo stepena Celzijusa. Ovo je omogućilo istraživačima da izmere toplotu između dva kraja ćelije i koriste je za izračunavanje entropije litijum-jonskog elektrolita u ćeliji.
„Mi merimo makroskopsko svojstvo, ali ono i dalje otkriva važne informacije o mikroskopskom ponašanju jona“, rekla je Rosi Huang, postdiplomac u Kejhilovoj istraživačkoj grupi i jedan od vodećih autora studije. „Merenja Peltierovog efekta i entropije rešenja su usko povezana sa strukturom solvatacije. Ranije su se istraživači baterija oslanjali na merenja energije, ali bi entropija pružila važan dodatak toj informaciji koja daje potpuniju sliku sistema.“
Istraživači su istraživali kako se Peltierov toplotni tok menja sa koncentracijom litijum jona, tipom rastvarača, materijalom elektrode i temperaturom. U svim slučajevima, primetili su da se toplotni tok odvija suprotno od jonske struje u rastvoru, što implicira da je entropija rastvaranja litijum jona manja od entropije čvrstog litijuma.
Sposobnost merenja entropije rastvora litijum-jonskih elektrolita može dati važan uvid u pokretljivost jona, regulišući ciklus punjenja baterije i način interakcije rastvora sa elektrodama, što je važan faktor u životnom veku baterije.
„Nedovoljno cenjeni aspekt dizajna baterija je to što tečni elektrolit nije hemijski stabilan kada je u kontaktu sa elektrodama“, rekao je Kejhil. „Uvek se razlaže i formira nešto što se zove međufaza čvrstog elektrolita. Da biste bateriju učinili stabilnom tokom dugih ciklusa, morate razumeti termodinamiku te međufaze, što je ono u čemu naša metoda pomaže.“
Zhe Cheng je drugi ko-voditelj studije. Beniamin Zahiri, Patrick Kvon i U. of I. profesor nauke o materijalima i inženjerstva Paul Braun su takođe doprineli ovom radu.
