Inženirji so razvili separator, ki stabilizira plinaste elektrolite, da bi bile baterije pri ultra nizkih temperaturah varnejše

Po poročanju tujih medijev so nano inženirji na kalifornijski univerzi v San Diegu razvili separator baterij, ki lahko deluje kot pregrada med katodo in anodo in preprečuje izhlapevanje plinastega elektrolita v bateriji. Nova membrana preprečuje kopičenje notranjega tlaka nevihte in s tem preprečuje nabrekanje in eksplozijo baterije.

Vodja raziskave, Zheng Chen, profesor nanoinženiringa na Jacobs School of Engineering na Univerzi v Kaliforniji v San Diegu, je dejal: "Z ujetjem plinskih molekul lahko membrana deluje kot stabilizator hlapnih elektrolitov."

Novi separator lahko izboljša zmogljivost baterije pri ultra nizkih temperaturah. Akumulatorska celica, ki uporablja membrano, lahko deluje pri minus 40°C, zmogljivost pa je lahko tudi 500 miliamper ur na gram, medtem ko ima komercialna membranska baterija v tem primeru skoraj nič moči. Raziskovalci pravijo, da je zmogljivost baterijske celice še vedno visoka, tudi če ostane neuporabljen dva meseca. Ta zmogljivost kaže, da lahko membrana podaljša tudi življenjsko dobo shranjevanja. To odkritje omogoča raziskovalcem, da še naprej dosežejo svoj cilj: proizvajajo baterije, ki lahko zagotavljajo električno energijo za vozila v ledenih okoljih, kot so vesoljska plovila, sateliti in globokomorske ladje.

Ta raziskava temelji na študiji v laboratoriju Ying Shirley Meng, profesorice nanoinženiringa na Kalifornijski univerzi v San Diegu. Ta raziskava uporablja poseben elektrolit utekočinjenega plina za razvoj baterije, ki lahko prvič ohrani dobro delovanje v okolju minus 60 °C. Med njimi je utekočinjeni plinski elektrolit plin, ki se utekočini s pritiskom in je bolj odporen na nizke temperature kot tradicionalni tekoči elektroliti.

Toda ta vrsta elektrolita ima napako; enostavno je preklopiti iz tekočine v plin. Chen je dejal: "Ta težava je največja varnostna težava za ta elektrolit." Tlak je treba povečati, da se molekule tekočine kondenzirajo in elektrolit ostane v tekočem stanju, da se elektrolit uporablja.

Chenov laboratorij je sodeloval z Mengom in Todom Pascalom, profesorjem nanoinženiringa na Kalifornijski univerzi v San Diegu, da bi rešil ta problem. Z združevanjem strokovnega znanja računalniških strokovnjakov, kot je Pascal, z raziskovalci, kot sta Chen in Meng, je bila razvita metoda za utekočinjanje uparjenega elektrolita brez hitrega pretiranega pritiska. Zgoraj omenjeno osebje je povezano s Centrom za raziskave materialov in inženiringom (MRSEC) Kalifornijske univerze v San Diegu.

Ta metoda je izposojena iz fizičnega pojava, pri katerem se molekule plina spontano kondenzirajo, ko so ujete v majhnih nano-prostorih. Ta pojav se imenuje kapilarna kondenzacija, zaradi katere lahko plin postane tekoč pri nižjem tlaku. Raziskovalna skupina je ta pojav uporabila za izdelavo separatorja baterij, ki lahko stabilizira elektrolit v ultra-nizkotemperaturnih baterijah, utekočinjeni plinski elektrolit iz plina fluorometana. Raziskovalci so za ustvarjanje membrane uporabili porozni kristalni material, imenovan kovinsko-organski okvir (MOF). Edinstvena stvar MOF je, da je polna drobnih por, ki lahko ujamejo molekule plina fluorometana in jih kondenzirajo pri relativno nizkem tlaku. Na primer, fluorometan se običajno skrči pri minus 30 °C in ima silo 118 psi; če pa se uporablja MOF, je kondenzacijski tlak poroznega pri isti temperaturi le 11 psi.

Chen je dejal: "Ta MOF znatno zmanjša pritisk, potreben za delovanje elektrolita. Zato lahko naša baterija zagotovi veliko kapaciteto pri nizkih temperaturah brez degradacije." Raziskovalci so testirali separator na osnovi MOF v litij-ionski bateriji. . Litij-ionska baterija je sestavljena iz fluoroogljikove katode in litijeve kovinske anode. Lahko ga napolni s plinastim fluorometanskim elektrolitom pri notranjem tlaku 70 psi, ki je veliko nižji od tlaka, potrebnega za utekočinjanje fluorometana. Baterija lahko še vedno vzdržuje 57 % svoje zmogljivosti sobne temperature pri minus 40°C. Nasprotno pa je pri enaki temperaturi in tlaku moč komercialne membranske baterije, ki uporablja plinasti elektrolit, ki vsebuje fluorometan, skoraj nič.

Mikropore, ki temeljijo na MOF separatorju, so ključne, saj lahko te mikropore ohranjajo pretok več elektrolitov v bateriji tudi pod zmanjšanim tlakom. Komercialna diafragma ima velike pore in ne more zadržati molekul plinastih elektrolitov pod znižanim tlakom. Toda mikroporoznost ni edini razlog, da diafragma dobro deluje v teh pogojih. Diafragma, ki so jo oblikovali raziskovalci, omogoča tudi, da pore tvorijo neprekinjeno pot od enega konca do drugega, s čimer se zagotovi, da lahko litijevi ioni prosto tečejo skozi diafragmo. Pri testu je bila ionska prevodnost baterije z novo membrano pri minus 40°C desetkrat večja kot pri akumulatorju, ki uporablja komercialno membrano.

Chenova ekipa trenutno preizkuša separatorje na osnovi MOF na drugih elektrolitih. Chen je dejal: "Videli smo podobne učinke. Z uporabo tega MOF-a kot stabilizatorja se lahko adsorbirajo različne molekule elektrolitov za izboljšanje varnosti baterij, vključno s tradicionalnimi litijevimi baterijami z hlapnimi elektroliti."