Tehnologije baterija koje mogu pouzdano da rade na veoma niskim temperaturama mogu biti veoma vredne za širok spektar primena. Ove baterije mogu, na primer, da napajaju uređaje, vozila i robotske sisteme u svemiru, duboko pod morem i u drugim ekstremnim okruženjima.
Da bi bezbedno i efikasno radile u ovim okruženjima, baterije treba da imaju komponente koje se ne smrzavaju ili negativno reaguju na značajne padove temperature. Jedno predloženo rešenje je dizajn punjivih vodenih baterija koje sadrže takozvane elektrolite protiv smrzavanja.
Istraživači Kineske akademije nauka i drugih instituta u Kini nedavno su osmislili novu strategiju za dizajniranje elektrolita protiv smrzavanja za vodene baterije. Ova strategija, prikazana u radu objavljenom u Nature Energi, fokusira se na dva specifična faktora vezana za temperaturu, koji do sada nisu bili primarni fokus dizajna elektrolita protiv smrzavanja.
„Dizajniranje elektrolita protiv smrzavanja odabirom odgovarajućih sistema rastvora H 2 O je ključno za vodene baterije niske temperature (LTAB)“, napisali su Livei Jiang, Shuai Han i njihove kolege u svom radu.
„Međutim, nedostatak efikasne smernice za izbor sistema rastvorenih H 2 O zasnovanih na odlučujućim faktorima koji ograničavaju temperaturu ometa razvoj LTAB. Ovde smo identifikovali dva odlučujuća faktora: termodinamičku eutektičku temperaturu (T e ) i kinetičku temperaturu staklastog prelaska. (T g ), pri čemu je T g primenljiv za LTAB samo kada sistemi rastvorenih H 2 O imaju jaku sposobnost super-hlađenja.“
Većina prethodnih radova usmerenih na projektovanje elektrolita protiv smrzavanja fokusirala se na regulisanje takozvane tačke smrzavanja (T f ) koja je u suštini tačna tačka na kojoj se tečnost smrzava i postaje čvrsta. Ovo se može postići korišćenjem različitih pristupa.
Ipak, T f možda nije najvažniji faktor koji ograničava rad baterija na niskim temperaturama. U stvari, neki elektroliti omogućavaju baterijama da rade na niskim temperaturama čak i kada su delimično smrznute, dakle ispod njihove T f tačke.
U svom radu, stoga, Jiang, Han i njihove kolege fokusiraju se na dva druga faktora vezana za temperaturu, a to su T e i T g . Prvi od njih je najniža temperatura na kojoj tečni rastvor ostaje stabilan pri datom pritisku, dok potonja je temperatura na kojoj počinje da se javlja molekularna pokretljivost i ispod koje se ova mobilnost zamrzava, što dovodi do prelaska u krutu i staklastu fazu.
„Predložili smo opštu strategiju u kojoj se elektroliti sa niskim T e i jakim super-hlađenjem mogu ostvariti stvaranjem sistema sa više rastvora uvođenjem potpomognutih soli sa visokim jonskim potencijalom (na primer, Al 3+, Ca 2+) ili korastvarači sa velikim brojem donora (na primer, etilen glikol)“, napisali su istraživači.
„Kao demonstraciju u sistemima zasnovanim na Na, dizajnirali smo elektrolite sa ultraniskim T e (–53,5 do –72,6 o C) i T g (–86,1 do –117,1 o C), pokazujući performanse baterije uključujući 80 Vh kg −1 i 5.000 ciklusi na 25 o C, i 12,5 Vh kg -1 na -85 o C.“
U svom radu, istraživači su dokazali da postoji detaljna smernica koja se može koristiti za dizajniranje elektrolita protiv smrzavanja za vodene baterije namenjene za rad na niskim temperaturama. U budućnosti bi se ova smernica mogla pokazati korisnim drugim istraživačkim grupama, potencijalno doprinoseći razvoju rešenja za baterije sa boljim performansama za tehnologije dizajnirane da se primenjuju u svemiru, u dubokom moru i u drugim okruženjima koja karakterišu ekstremno niske temperature.
