Ingeniører har utviklet en separator som stabiliserer gassformige elektrolytter for å gjøre batterier med ultralav temperatur tryggere

Ifølge rapporter i utenlandske medier har nanoingeniører ved University of California San Diego utviklet en batteriseparator som kan fungere som en barriere mellom katoden og anoden for å forhindre at den gassformige elektrolytten i batteriet fordamper. Den nye membranen forhindrer at det indre trykket i stormen samler seg, og forhindrer dermed at batteriet svulmer og eksploderer.

Forskningslederen, Zheng Chen, professor i nanoingeniør ved Jacobs School of Engineering ved University of California, San Diego, sa: "Ved å fange gassmolekyler kan membranen fungere som en stabilisator for flyktige elektrolytter."

Den nye separatoren kan forbedre batteriytelsen ved ultralave temperaturer. Battericellen som bruker membranen kan operere ved minus 40°C, og kapasiteten kan være så høy som 500 milliamperetimer per gram, mens det kommersielle membranbatteriet har nesten null strøm i dette tilfellet. Forskere sier at selv om den står ubrukt i to måneder, er battericellekapasiteten fortsatt høy. Denne ytelsen viser at membranen også kan forlenge lagringstiden. Denne oppdagelsen gjør det mulig for forskere å nå målet sitt videre: å produsere batterier som kan gi elektrisitet til kjøretøy i isete miljøer, som romfartøy, satellitter og dyphavsskip.

Denne forskningen er basert på en studie i laboratoriet til Ying Shirley Meng, professor i nanoteknikk ved University of California, San Diego. Denne forskningen bruker en bestemt flytende gasselektrolytt for å utvikle et batteri som kan opprettholde god ytelse i et miljø minus 60°C for første gang. Blant dem er den flytende gasselektrolytten en gass som gjøres flytende ved å påføre trykk og er mer motstandsdyktig mot lave temperaturer enn tradisjonelle flytende elektrolytter.

Men denne typen elektrolytt har en defekt; det er lett å skifte fra væske til gass. Chen sa: "Dette problemet er det største sikkerhetsproblemet for denne elektrolytten." Trykket må økes for å kondensere væskemolekylene og holde elektrolytten i flytende tilstand for å bruke elektrolytten.

Chens laboratorium samarbeidet med Meng og Tod Pascal, professor i nanoteknikk ved University of California, San Diego, for å løse dette problemet. Ved å kombinere ekspertisen til dataeksperter som Pascal med forskere som Chen og Meng, er det utviklet en metode for å gjøre den fordampede elektrolytten flytende uten å påføre for mye trykk raskt. Personellet nevnt ovenfor er tilknyttet Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC) ved University of California, San Diego.

Denne metoden låner fra et fysisk fenomen der gassmolekyler kondenserer spontant når de fanges i bittesmå nanoskala rom. Dette fenomenet kalles kapillærkondensering, som kan gjøre at gassen blir flytende ved lavere trykk. Forskergruppen brukte dette fenomenet til å konstruere en batteriseparator som kan stabilisere elektrolytten i batterier med ultralav temperatur, en flytende gasselektrolytt laget av fluormetangass. Forskerne brukte et porøst krystallinsk materiale kalt et metall-organisk rammeverk (MOF) for å lage membranen. Det unike med MOF er at den er full av bittesmå porer, som kan fange fluormetangassmolekyler og kondensere dem ved relativt lavt trykk. For eksempel krymper fluormetan vanligvis ved minus 30°C og har en kraft på 118 psi; men hvis MOF brukes, er kondensasjonstrykket til porøs ved samme temperatur bare 11 psi.

Chen sa: "Denne MOF reduserer betydelig trykket som kreves for at elektrolytten skal fungere. Derfor kan batteriet vårt gi en stor mengde kapasitet ved lave temperaturer uten nedbrytning." Forskerne testet en MOF-basert separator i et litiumionbatteri. . Litiumionbatteriet består av en fluorkarbonkatode og en litiummetallanode. Den kan fylle den med en gassformig fluormetanelektrolytt ved et indre trykk på 70 psi, langt lavere enn trykket som kreves for å gjøre fluormetan flytende. Batteriet kan fortsatt opprettholde 57 % av romtemperaturkapasiteten ved minus 40°C. I kontrast, ved samme temperatur og trykk, er kraften til et kommersielt membranbatteri som bruker en gassformig elektrolytt som inneholder fluormetan, nesten null.

Mikroporene basert på MOF-separatoren er nøkkelen fordi disse mikroporene kan holde flere elektrolytter flytende i batteriet selv under redusert trykk. Den kommersielle diafragmaen har store porer og kan ikke holde på gassformige elektrolyttmolekyler under redusert trykk. Men mikroporøsitet er ikke den eneste grunnen til at diafragmaen fungerer godt under disse forholdene. Membranen designet av forskerne lar også porene danne en kontinuerlig bane fra den ene enden til den andre, og sikrer dermed at litiumioner kan strømme fritt gjennom membranen. I testen er den ioniske ledningsevnen til batteriet ved bruk av den nye membranen ved minus 40°C ti ganger den for batteriet som bruker den kommersielle membranen.

Chens team tester for tiden MOF-baserte separatorer på andre elektrolytter. Chen sa: "Vi har sett lignende effekter. Ved å bruke denne MOF som stabilisator, kan forskjellige elektrolyttmolekyler adsorberes for å forbedre batterisikkerheten, inkludert tradisjonelle litiumbatterier med flyktige elektrolytter."