Wykorzystanie efektu Peltiera do badania ogniw litowo-jonowych

Baterie są zazwyczaj badane na podstawie właściwości elektrycznych, takich jak napięcie i prąd, ale nowe badania sugerują, że obserwacja przepływu ciepła wraz z energią elektryczną może dostarczyć ważnych informacji na temat chemii baterii.

Zespół naukowców z Uniwersytetu Illinois Urbana-Champaign zademonstrował, jak badać właściwości chemiczne ogniw akumulatorów litowo-jonowych, wykorzystując efekt Peltiera, w którym prąd elektryczny powoduje, że system pobiera ciepło. Relacjonowane w czasopiśmie Chemia fizyczna Fizyka chemicznaTechnika ta umożliwiła eksperymentalny pomiar entropii elektrolitu litowo-jonowego, czyli cechy termodynamicznej, która może bezpośrednio przynieść korzyści w projektowaniu akumulatorów litowo-jonowych.

„Nasza praca polega na zrozumieniu podstawowej termodynamiki rozpuszczonych jonów litu. Jest to informacja, która, mamy nadzieję, pomoże w opracowaniu lepszych elektrolitów do akumulatorów” – powiedział David Cahill, profesor nauk o materiałach i inżynierii na Uniwersytecie Kalifornijskim oraz kierownik projektu . „Pomiar sprzężonego transferu ładunku elektrycznego i ciepła w efekcie Peltiera pozwala nam wywnioskować entropię – wielkość ściśle związaną ze składem chemicznym rozpuszczonych jonów i ich interakcją z innymi częściami akumulatora”.

Efekt Peltiera został dobrze zbadany w układach półprzewodnikowych, gdzie jest stosowany w chłodnictwie i chłodnictwie. Jednakże pozostaje w dużej mierze niezbadany w układach jonowych, takich jak elektrolity litowe. Powodem jest to, że różnice temperatur wynikające z ogrzewania i chłodzenia Peltiera są niewielkie w porównaniu z innymi efektami.

Aby pokonać tę przeszkodę, naukowcy wykorzystali system pomiarowy z rozdzielczością jednej setnej tysięcznej stopnia Celsjusza. Umożliwiło to naukowcom zmierzenie temperatury pomiędzy dwoma końcami ogniwa i wykorzystanie jej do obliczenia entropii elektrolitu litowo-jonowego w ogniwie.

„Mierzymy właściwość mikroskopową, ale wciąż ujawnia to ważne informacje na temat mikroskopijnego zachowania jonów” – powiedziała Rosie Huang, absolwentka grupy badawczej Cahilla i współautorka badania. „Pomiary efektu Peltiera i entropii roztworu są ściśle powiązane ze strukturą rozpuszczalnika. Wcześniej badacze baterii polegali na pomiarach energii, ale entropia będzie ważnym uzupełnieniem tych informacji, co da pełniejszy obraz układu .”

Naukowcy odkryli, jak strumień ciepła Peltiera zmienia się w zależności od stężenia jonów litu, rodzaju rozpuszczalnika, materiału elektrody i temperatury. We wszystkich przypadkach zauważają, że przepływ ciepła jest przeciwny do prądu jonowego w roztworze, co oznacza, że ​​entropia powstająca w wyniku rozkładu jonów litu jest niższa niż entropia stałego litu.

Możliwość pomiaru entropii roztworów elektrolitu litowo-jonowego może dostarczyć ważnych informacji na temat ruchu jonów, kontrolować cykl ładowania akumulatora oraz interakcję roztworu z elektrodami, co jest ważnym czynnikiem wpływającym na żywotność baterii.

„Jednym z najbardziej niedocenianych aspektów konstrukcji akumulatorów jest to, że ciekły elektrolit nie jest stabilny chemicznie w kontakcie z elektrodami” – powiedział Cahill. „Zawsze rozkłada się i tworzy coś, co nazywa się interfazą ciało stałe-elektrolit. Aby akumulator był stabilny podczas długich cykli, należy zrozumieć termodynamikę tej interfazy, w czym pomaga nasza metoda”.

Zhi Cheng jest drugim głównym autorem badania. Benjamin Zuhairi, Patrick Kwon oraz profesor nauk o materiałach i inżynierii Paul Brown również wnieśli swój wkład w tę pracę.