_ Ce căldură ne poate spune despre chimia bateriei: utilizarea efectului Peltier pentru a studia celulele cu litiu-ion

Bateriile sunt de obicei studiate prin proprietăți electrice, cum ar fi tensiunea și curentul, dar noi cercetări sugerează că observarea modului în care căldura curge împreună cu electricitatea poate oferă perspective importante asupra chimiei bateriilor.

O echipă de cercetători de la Universitatea din Illinois Urbana-Champaign a demonstrat cum se studiază proprietățile chimice ale celulelor bateriilor cu litiu-ion prin exploatarea efectului Peltier, în care curentul electric determină un sistem să atragă căldură. Raportată în jurnalul Physical Chemistry Chemical Physics, această tehnică le-a permis să măsoare experimental entropia electrolitului litiu-ion, o caracteristică termodinamică care ar putea informa direct proiectarea bateriilor litiu-ion.

„Lucrarea noastră se referă la înțelegerea termodinamicii fundamentale a ionilor de litiu dizolvați, informații care sperăm că vor ghida dezvoltarea de electroliți mai buni pentru baterii”, a declarat David Cahill, profesor de știință și inginerie a materialelor la Universitatea I. și conducătorul proiectului. „Măsurarea transportului cuplat de sarcină electrică și căldură în efectul Peltier ne permite să deducem entropia, o cantitate care este strâns legată de structura chimică a ionilor dizolvați și de modul în care aceștia interacționează cu alte părți ale bateriei.”

Efectul Peltier este bine studiat în sistemele în stare solidă, unde este utilizat în răcire și refrigerare. Cu toate acestea, rămâne în mare parte neexplorat în sistemele ionice precum electrolitul de litiu. Motivul este că diferențele de temperatură create de încălzirea și răcirea Peltier sunt mici în comparație cu alte efecte.

Pentru a depăși această barieră, cercetătorii au folosit un sistem de măsurare capabil să rezolve o sută de miimi de grad Celsius. Acest lucru a permis cercetătorilor să măsoare căldura dintre cele două capete ale celulei și să o utilizeze pentru a calcula entropia electrolitului de ioni de litiu din celulă.

„Măsurăm o proprietate macroscopică, dar aceasta încă dezvăluie informații importante despre comportamentul microscopic al ionilor”, a spus Rosy Huang, un student absolvent în grupul de cercetare al lui Cahill și co-autorul principal al studiului. „Măsurătorile efectului Peltier și a entropiei soluției sunt strâns legate de structura de solvație. Anterior, cercetătorii în baterii se bazau pe măsurătorile energiei, dar entropia ar oferi o completare importantă acelor informații, care oferă o imagine mai completă a sistemului.”

Cercetătorii au explorat modul în care fluxul de căldură Peltier s-a schimbat odată cu concentrația ionilor de litiu, tipul de solvent, materialul electrodului și temperatura. În toate cazurile, ei au observat că fluxul de căldură merge opus curentului ionic din soluție, ceea ce implică faptul că entropia din dizolvarea ionilor de litiu este mai mică decât entropia litiului solid.

Abilitatea de a măsura. entropia soluțiilor de electroliți litiu-ion poate oferi informații importante asupra mobilității ionilor, care guvernează ciclul de reîncărcare al bateriei și modul în care soluția interacționează cu electrozii, un factor important în durata de viață a bateriei.

„Un aspectul subapreciat al designului bateriei este că electrolitul lichid nu este stabil din punct de vedere chimic atunci când este în contact cu electrozii", a spus Cahill. „Întotdeauna se descompune și formează ceva numit interfază de electrolit solid. Pentru a face o baterie stabilă pe cicluri lungi, trebuie să înțelegeți termodinamica acelei interfaze, ceea ce ajută metoda noastră să facă.”

Zhe Cheng este al doilea co-autor principal al studiului. Beniamin Zahiri, Patrick Kwon și profesorul de știință și inginerie a materialelor U. of I. Paul Braun au contribuit, de asemenea, la această lucrare.

(Fluierul)