R.E.News future Technology-Unlock Lithium-ion Battery Secrets with the Peltier Effect

26/03/24-FR-English-NL-footer

Découvrez les secrets des batteries lithium-ion avec l'effet Peltier

Image- University Of Illinois Grainger College Of Engineering

Les batteries sont généralement étudiées via leurs propriétés électriques telles que la tension et le courant, mais de nouvelles recherches suggèrent que l'observation de la manière dont la chaleur circule en conjonction avec l'électricité peut fournir des informations importantes sur la chimie des batteries.

Une équipe de chercheurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign a démontré comment étudier les propriétés chimiques des cellules de batterie lithium-ion en exploitant l'effet Peltier, dans lequel le courant électrique amène un système à puiser de la chaleur. Rapportée dans la revue Physical Chemistry Chemical Physics, cette technique leur a permis de mesurer expérimentalement l'entropie de l'électrolyte lithium-ion, une caractéristique thermodynamique qui pourrait directement éclairer la conception des batteries lithium-ion.

"Notre travail consiste à comprendre la thermodynamique fondamentale des ions lithium dissous, informations qui, nous l'espérons, guideront le développement de meilleurs électrolytes pour les batteries", a déclaré David Cahill, professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'Université d'I. et chef du projet. "La mesure du transport couplé de charge électrique et de chaleur dans l'effet Peltier nous permet de déduire l'entropie, une quantité étroitement liée à la structure chimique des ions dissous et à la façon dont ils interagissent avec d'autres parties de la batterie."

L'effet Peltier est bien étudié dans les systèmes à semi-conducteurs où il est utilisé dans le refroidissement et la réfrigération. Cependant, il reste largement inexploré dans les systèmes ioniques comme l’électrolyte au lithium. La raison en est que les différences de température créées par le chauffage et le refroidissement Peltier sont faibles par rapport à d’autres effets.

Pour surmonter cet obstacle, les chercheurs ont utilisé un système de mesure capable de résoudre le cent millième de degré Celsius. Cela a permis aux chercheurs de mesurer la chaleur entre les deux extrémités de la cellule et de l’utiliser pour calculer l’entropie de l’électrolyte lithium-ion dans la cellule.

"Nous mesurons une propriété macroscopique, mais cela révèle quand même des informations importantes sur le comportement microscopique des ions", a déclaré Rosy Huang, étudiante diplômée du groupe de recherche de Cahill et co-auteur principal de l'étude. « Les mesures de l’effet Peltier et de l’entropie de la solution sont étroitement liées à la structure de solvatation. Auparavant, les chercheurs sur les batteries s’appuyaient sur des mesures d’énergie, mais l’entropie fournirait un complément important à ces informations, donnant une image plus complète du système.

Les chercheurs ont étudié comment le flux de chaleur Peltier variait en fonction de la concentration en ions lithium, du type de solvant, du matériau de l'électrode et de la température. Dans tous les cas, ils ont observé que le flux de chaleur était opposé au courant ionique dans la solution, ce qui implique que l’entropie issue de la dissolution des ions lithium est inférieure à l’entropie du lithium solide.

La capacité de mesurer l’entropie des solutions d’électrolytes lithium-ion peut donner des informations importantes sur la mobilité des ions, qui régit le cycle de recharge de la batterie, et sur la façon dont la solution interagit avec les électrodes, un facteur important dans la durée de vie de la batterie.

"Un aspect sous-estimé de la conception des batteries est que l'électrolyte liquide n'est pas chimiquement stable lorsqu'il est en contact avec les électrodes", a déclaré Cahill. « Il se décompose toujours et forme ce qu’on appelle une interphase électrolyte solide. Pour rendre une batterie stable sur de longs cycles, vous devez comprendre la thermodynamique de cette interphase, ce que notre méthode permet de faire.
NJC.© Info University Of Illinois Grainger College Of Engineering

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

26/03/24-English

Unlock Lithium-ion Battery Secrets with the Peltier Effect

Image- University Of Illinois Grainger College Of Engineering

Batteries are usually studied via electrical properties like voltage and current, but new research suggests that observing how heat flows in conjunction with electricity can give important insights into battery chemistry.

A team of researchers at the University of Illinois Urbana-Champaign has demonstrated how to study chemical properties of lithium-ion battery cells by exploiting the Peltier effect, in which electrical current causes a system to draw heat. Reported in the journal Physical Chemistry Chemical Physics, this technique allowed them to experimentally measure the entropy of the lithium-ion electrolyte, a thermodynamic feature that could directly inform lithium-ion battery design.

“Our work is about understanding the fundamental thermodynamics of dissolved lithium ions, information that we hope will guide the development of better electrolytes for batteries,” said David Cahill, a U. of I. materials science & engineering professor and the project lead. “Measuring the coupled transport of electric charge and heat in the Peltier effect allows us to deduce the entropy, a quantity that is closely related to the chemical structure of the dissolved ions and how they interact with other parts of the battery.”

The Peltier effect is well-studied in solid-state systems where it is used in cooling and refrigeration. However, it remains largely unexplored in ionic systems like lithium electrolyte. The reason is that the temperature differences created by Peltier heating and cooling are small compared to other effects.

To overcome this barrier, the researchers used a measurement system capable of resolving one hundred-thousandth of a degree Celsius. This allowed the researchers to measure the heat between the two ends of the cell and use it to calculate the entropy of the lithium-ion electrolyte in the cell.

“We’re measuring a macroscopic property, but it still reveals important information about the microscopic behaviour of the ions,” said Rosy Huang, a graduate student in Cahill’s research group and the study’s co-lead author. “Measurements of the Peltier effect and the solution’s entropy are closely connected to the solvation structure. Previously, battery researchers relied on energy measurements, but entropy would provide an important complement to that information that gives a more complete picture of the system.”

The researchers explored how the Peltier heat flow changed with the concentration of lithium ions, solvent type, electrode material and temperature. In all cases, they observed that the heat flow ran opposite to the ionic current in the solution, implying that the entropy from the dissolution of lithium ions is less than the entropy of solid lithium.

The ability to measure the entropy of lithium-ion electrolyte solutions can give important insights into the ions’ mobility, governing the battery’s recharging cycle, and how the solution interacts with the electrodes, an important factor in the battery’s lifetime.

“An underappreciated aspect of battery design is that the liquid electrolyte is not chemically stable when in contact with the electrodes,” Cahill said. “It always decomposes and forms something called a solid-electrolyte interphase. To make a battery stable over long cycles, you need to understand the thermodynamics of that interphase, which is what our method helps to do.”
NJC.© Info  University Of Illinois Grainger College Of Engineering

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

26/03/24-NL

Ontgrendel de geheimen van lithium-ionbatterijen met het Peltier-effect

Image- University Of Illinois Grainger College Of Engineering

Batterijen worden meestal bestudeerd via elektrische eigenschappen zoals spanning en stroom, maar nieuw onderzoek suggereert dat het observeren van hoe warmte stroomt in combinatie met elektriciteit belangrijke inzichten kan opleveren in de chemie van batterijen.

Een team van onderzoekers van de Urbana-Champaign van de Universiteit van Illinois heeft aangetoond hoe je de chemische eigenschappen van lithium-ionbatterijcellen kunt bestuderen door gebruik te maken van het Peltier-effect, waarbij elektrische stroom ervoor zorgt dat een systeem warmte onttrekt. Deze techniek, gerapporteerd in het tijdschrift Physical Chemistry Chemical Physics, stelde hen in staat experimenteel de entropie van de lithium-ion-elektrolyt te meten, een thermodynamisch kenmerk dat rechtstreeks van invloed zou kunnen zijn op het ontwerp van lithium-ion-batterijen.

“Ons werk gaat over het begrijpen van de fundamentele thermodynamica van opgeloste lithiumionen, informatie waarvan we hopen dat deze de ontwikkeling van betere elektrolyten voor batterijen zal begeleiden”, zegt David Cahill, hoogleraar materiaalkunde en techniek aan de Universiteit van I. en projectleider. “Door het gekoppelde transport van elektrische lading en warmte in het Peltier-effect te meten, kunnen we de entropie afleiden, een hoeveelheid die nauw verwant is aan de chemische structuur van de opgeloste ionen en hoe deze interageren met andere delen van de batterij.”

Het Peltier-effect is goed bestudeerd in solid-state-systemen waar het wordt gebruikt bij koeling en koeling. Het blijft echter grotendeels onontgonnen in ionische systemen zoals lithiumelektrolyt. De reden is dat de temperatuurverschillen die door Peltier-verwarming en -koeling ontstaan, klein zijn in vergelijking met andere effecten.

Om deze barrière te overwinnen, gebruikten de onderzoekers een meetsysteem dat een honderdduizendste graad Celsius kon meten. Hierdoor konden de onderzoekers de warmte tussen de twee uiteinden van de cel meten en deze gebruiken om de entropie van de lithium-ionelektrolyt in de cel te berekenen.

"We meten een macroscopische eigenschap, maar deze onthult nog steeds belangrijke informatie over het microscopische gedrag van de ionen", zegt Rosy Huang, een afgestudeerde student in de onderzoeksgroep van Cahill en co-hoofdauteur van de studie. “Metingen van het Peltier-effect en de entropie van de oplossing zijn nauw verbonden met de solvatatiestructuur. Voorheen vertrouwden batterijonderzoekers op energiemetingen, maar entropie zou een belangrijke aanvulling zijn op die informatie die een completer beeld van het systeem geeft.”

De onderzoekers onderzochten hoe de Peltier-warmtestroom veranderde met de concentratie van lithiumionen, het type oplosmiddel, het elektrodemateriaal en de temperatuur. In alle gevallen merkten ze op dat de warmtestroom tegengesteld was aan de ionenstroom in de oplossing, wat impliceert dat de entropie van het oplossen van lithiumionen kleiner is dan de entropie van vast lithium.

Het vermogen om de entropie van lithium-ion-elektrolytoplossingen te meten kan belangrijke inzichten opleveren in de mobiliteit van de ionen, die de oplaadcyclus van de batterij bepalen en hoe de oplossing samenwerkt met de elektroden, een belangrijke factor in de levensduur van de batterij.

“Een ondergewaardeerd aspect van het batterijontwerp is dat de vloeibare elektrolyt niet chemisch stabiel is wanneer hij in contact komt met de elektroden”, zegt Cahill. “Het ontleedt altijd en vormt iets dat een vaste-elektrolyt-interfase wordt genoemd. Om een batterij gedurende lange cycli stabiel te maken, moet je de thermodynamica van die interfase begrijpen, en dat is waar onze methode bij helpt.”
NJC.© Info University Of Illinois Grainger College Of Engineering

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------