Uusien energiateknologioiden laajentuessa äärimmäisiin ympäristöihin, kuten korkeisiin leveysasteisiin ja korkeuksiin, kryogeeniset akut ovat nousseet energia-alan huomion kohteeksi, koska ne pystyvät ylläpitämään käyttökelpoista kapasiteettia ja tehoa kylmissä olosuhteissa. Niiden keskeinen toimintaperiaate on matalien lämpötilojen aiheuttamien haasteiden, kuten heikentyneen ionin johtumisen, hitaan rajapinnan reaktioiden ja materiaalin heikentyneen stabiilisuuden voittamiseksi. Sähkökemiallisen järjestelmän moniulotteisen optimoinnin avulla ne saavuttavat tehokkaan energian muuntamisen ja varastoinnin äärimmäisissä olosuhteissa.
Matalissa{0}}lämpötiloissa perinteisten akkujen sähkökemiallisen suorituskyvyn heikkeneminen johtuu pääasiassa kolmesta pullonkaulasta: Ensinnäkin elektrolyytin viskositeetti kasvaa eksponentiaalisesti lämpötilan laskiessa, mikä johtaa merkittävästi ionien kulkeutumisnopeuden laskuun ja siten johtavuuden merkittävään heikkenemiseen. toiseksi varauksen siirtovastus elektrodimateriaalin -elektrolyyttirajapinnassa, hidas litium-ionien sisään-/poistokinetiikka ja tehostunut polarisaatio; ja kolmanneksi alhaiset lämpötilat voivat aiheuttaa rakenteellisia vääristymiä elektrodimateriaaleihin tai lisätä sivureaktioita, mikä heikentää edelleen syklin vakautta. Kryogeeniset akut selviytyvät järjestelmällisesti näistä haasteista materiaalisuunnittelun ja mekanismin innovaatioiden avulla.
Elektrolyyttijärjestelmän innovaatio on ensisijainen läpimurto. Rakentamalla matalan-jäätymispisteen-liuotinjärjestelmiä (kuten eteenikarbonaatin ja fluorieteenikarbonaatin sekoitus) tai ottamalla käyttöön erittäin dissosioituvia litiumsuoloja (kuten litium-bis(fluorisulfonyyli)imidi), elektrolyytin jäätymispistettä voidaan vähentää tehokkaasti ja ionien tasaisen johtavuuden ylläpitäminen korkealla -40 astetta, joka tarjoaa perustakuun maksun kuljetukselle. Jotkut solid-state-elektrolyytit laajentavat edelleen sähkökemiallista ikkunaansa ja lämpötila-aluettaan puskuroimalla raerajaimpedanssia joustavan polymeerimatriisiverkon kautta.
Elektrodimateriaalien rajapintojen ohjaus on ratkaisevan tärkeää suorituskyvyn parantamisen kannalta. Nanoteknologia ja hiilipinnoitustekniikat (kuten grafeenikomposiittikerrokset) positiivisen elektrodin puolella voivat lyhentää litium-ionien diffuusioreittiä ja vähentää rajapintojen impedanssia. Esilitiaatio- tai pii{3}}-pohjaiset komposiittimateriaalit negatiivisessa elektrodissa voivat lievittää tilavuuden laajenemista ja litiumin interkalaatiopolarisaatioongelmia alhaisissa lämpötiloissa. Samanaikaisesti kalvon muodostavien aineiden aiheuttama ohuen ja tiheän kiinteän elektrolyytin välisen kalvon (SEI) muodostuminen voi sekä tukahduttaa elektrolyytin hajoamisen että ylläpitää ioninjohtavuutta, mikä pidentää merkittävästi syklin käyttöikää alhaisessa lämpötilassa.
Järjestelmäintegraatiotason apusuunnittelu on yhtä välttämätöntä. Joihinkin kryogeenisiin akuihin on integroitu itse-lämpenemismoduuleja, jotka käyttävät pulssivirtaa herättämään sisäistä Joule-lämmitystä tai kytkettyjä termistorielementtejä "kryogeenisen käynnistyksen-"- autonomisen lämpenemisen-suljetun-silmukan ohjaamiseksi" välttäen ulkoisen lämmityksen aiheuttaman energiahäviön. Akun hallintajärjestelmä (BMS) säätää dynaamisesti lataus- ja purkausstrategioita vähentääkseen litiumdendriitin muodostumisen riskiä matalissa lämpötiloissa ja varmistaa näin käyttöturvallisuuden.
Tällä hetkellä kryogeeniset akut ovat saavuttaneet läpimurtoja suorituskyvyssään, säilyttäen yli 80 % kapasiteetin -30 asteessa ja mahdollistaneet normaalin käynnistyksen- -40 asteessa, ja niitä käytetään vähitellen napojen etsinnässä, energian varastoinnissa korkeilla ja kylmillä alueilla sekä erikoislaitteisiin. Rajapintojen suunnittelun ja älykkään lämmönhallinnan jatkuvan kehittymisen myötä niistä odotetaan muodostuvan energiansyötön ydintukiteknologiaa äärimmäisissä ympäristöissä.
