Батареи обычно изучаются с помощью электрических свойств, таких как напряжение и ток, но новые исследования показывают, что наблюдение за тем, как тепло течет вместе с электричеством, может дать важную информацию о химии батарей.
Группа исследователей из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне продемонстрировала, как изучать химические свойства элементов литий-ионных аккумуляторов , используя эффект Пельтье, при котором электрический ток заставляет систему отводить тепло. Как сообщается в журнале Physical Chemistry Chemical Physics , этот метод позволил им экспериментально измерить энтропию литий-ионного электролита — термодинамическую характеристику, которая может напрямую влиять на конструкцию литий-ионной батареи.
«Наша работа направлена на понимание фундаментальной термодинамики растворенных ионов лития. Эта информация, как мы надеемся, поможет в разработке лучших электролитов для батарей», — сказал Дэвид Кэхилл, профессор материаловедения и инженерии Университета Иллинойса и руководитель проекта. «Измерение совместного переноса электрического заряда и тепла в результате эффекта Пельтье позволяет нам определить энтропию — величину, которая тесно связана с химической структурой растворенных ионов и тем, как они взаимодействуют с другими частями батареи».
Эффект Пельтье хорошо изучен в твердотельных системах, где он используется в охлаждении и охлаждении. Однако в ионных системах, таких как литиевый электролит, он остается практически неизученным. Причина в том, что разница температур, создаваемая нагревом и охлаждением Пельтье, невелика по сравнению с другими эффектами.
Чтобы преодолеть этот барьер, исследователи использовали систему измерения, способную разрешать одну стотысячную долю градуса Цельсия. Это позволило исследователям измерить тепло между двумя концами элемента и использовать его для расчета энтропии литий-ионного электролита в элементе.
«Мы измеряем макроскопическое свойство, но оно по-прежнему раскрывает важную информацию о микроскопическом поведении ионов», — сказала Рози Хуанг, аспирант исследовательской группы Кэхилла и соавтор исследования. «Измерения эффекта Пельтье и энтропии раствора тесно связаны со структурой сольватации. Раньше исследователи батарей полагались на измерения энергии, но энтропия могла бы стать важным дополнением к этой информации, которая дает более полную картину системы».
Исследователи изучили, как тепловой поток Пельтье менялся в зависимости от концентрации ионов лития, типа растворителя, материала электрода и температуры. Во всех случаях они наблюдали, что тепловой поток идет противоположно ионному току в растворе, а это означает, что энтропия растворения ионов лития меньше, чем энтропия твердого лития.
Возможность измерения энтропии растворов литий-ионных электролитов может дать важную информацию о подвижности ионов, определяющей цикл перезарядки аккумулятора, а также о том, как раствор взаимодействует с электродами, что является важным фактором срока службы аккумулятора.
«Недооцененный аспект конструкции аккумуляторов заключается в том, что жидкий электролит химически нестабилен при контакте с электродами», — сказал Кэхилл. «Он всегда разлагается и образует нечто, называемое межфазной фазой твердого электролита. Чтобы сделать батарею стабильной в течение длительных циклов, вам необходимо понять термодинамику этой межфазной фазы, и именно это помогает сделать наш метод».