Інженери розробили сепаратор, який стабілізує газоподібні електроліти, щоб зробити наднизькотемпературні батареї безпечнішими

За повідомленнями іноземних ЗМІ, наноінженери з Каліфорнійського університету в Сан-Дієго розробили сепаратор батареї, який може діяти як бар’єр між катодом і анодом, щоб запобігти випаровуванню газоподібного електроліту в батареї. Нова діафрагма запобігає накопиченню внутрішнього тиску бурі, тим самим запобігаючи розбуханню та вибуху батареї.

Керівник дослідження Чжен Чен, професор наноінженерії в Інженерній школі Джейкобса в Каліфорнійському університеті в Сан-Дієго, сказав: «Захоплюючи молекули газу, мембрана може діяти як стабілізатор для летких електролітів».

Новий сепаратор може покращити продуктивність акумулятора при наднизьких температурах. Батарея, яка використовує діафрагму, може працювати при мінус 40°C, а ємність може досягати 500 міліампер-годин на грам, тоді як комерційний діафрагмовий акумулятор має майже нульову потужність у цьому випадку. Дослідники кажуть, що навіть якщо він не використовується протягом двох місяців, ємність елемента батареї залишається високою. Ця продуктивність показує, що діафрагма також може продовжити термін зберігання. Це відкриття дозволяє дослідникам досягти своєї мети далі: виробляти батареї, які можуть забезпечити електрикою транспортні засоби в крижаному середовищі, такі як космічні кораблі, супутники та глибоководні кораблі.

Це дослідження засноване на дослідженні в лабораторії Ін Ширлі Мен, професора наноінженерії Каліфорнійського університету в Сан-Дієго. У цьому дослідженні використовується специфічний електроліт зрідженого газу для розробки акумулятора, який вперше може підтримувати хорошу продуктивність у середовищі мінус 60°C. Серед них електроліт зрідженого газу - це газ, який зріджується під дією тиску і є більш стійким до низьких температур, ніж традиційні рідкі електроліти.

Але цей вид електроліту має дефект; легко перейти з рідини в газ. Чен сказав: «Ця проблема є найбільшою проблемою безпеки для цього електроліту». Тиск необхідно підвищити, щоб сконденсувати молекули рідини та підтримувати електроліт в рідкому стані, щоб використовувати електроліт.

Лабораторія Чена співпрацювала з Менгом і Тодом Паскалем, професором наноінженерії Каліфорнійського університету в Сан-Дієго, щоб вирішити цю проблему. Завдяки поєднанню досвіду експертів з обчислювальної техніки, таких як Паскаль, з такими дослідниками, як Чен і Мен, був розроблений метод для зрідження випаруваного електроліту без швидкого застосування занадто великого тиску. Персонал, згаданий вище, пов’язаний з Центром досліджень матеріалів та інженерії (MRSEC) Каліфорнійського університету в Сан-Дієго.

Цей метод запозичується з фізичного явища, при якому молекули газу спонтанно конденсуються, потрапляючи в крихітні нанорозмірні простори. Це явище називається капілярною конденсацією, яка може зробити газ рідким при нижчому тиску. Дослідницька група використала це явище для створення сепаратора батареї, який може стабілізувати електроліт в наднизькотемпературних батареях, електроліту зрідженого газу, виготовленому з газу фторометану. Для створення мембрани дослідники використали пористий кристалічний матеріал, який називається металоорганічним каркасом (MOF). Унікальна особливість MOF полягає в тому, що він сповнений крихітних пір, які можуть захоплювати молекули газу фтору і конденсувати їх при відносно низькому тиску. Наприклад, фторметан зазвичай стискається при мінус 30°C і має силу 118 фунтів на квадратний дюйм; але якщо використовується MOF, тиск конденсації пористих при тій же температурі становить лише 11 фунтів на квадратний дюйм.

Чен сказав: «Цей MOF значно зменшує тиск, необхідний для роботи електроліту. Тому наша батарея може забезпечити велику кількість ємності при низьких температурах без деградації». Дослідники випробували сепаратор на основі MOF в літій-іонній батареї. . Літій-іонна батарея складається з фторуглеродного катода і літієвого металевого анода. Він може заповнювати його газоподібним фторметановим електролітом при внутрішньому тиску 70 фунтів на квадратний дюйм, що набагато нижчий, ніж тиск, необхідний для зрідження фторметану. Акумулятор все ще може підтримувати 57% своєї ємності кімнатної температури при мінус 40°C. Навпаки, при тій же температурі та тиску потужність комерційної діафрагмової батареї, що використовує газоподібний електроліт, що містить фторметан, майже дорівнює нулю.

Мікропори, засновані на сепараторі MOF, є ключовими, оскільки ці мікропори можуть утримувати більше електролітів в батареї навіть при зниженому тиску. Комерційна діафрагма має великі пори і не може утримувати молекули газоподібного електроліту при зниженому тиску. Але мікропористість - не єдина причина, чому діафрагма добре працює в цих умовах. Діафрагма, розроблена дослідниками, також дозволяє порам утворювати безперервний шлях від одного кінця до іншого, тим самим забезпечуючи вільний протікання іонів літію через діафрагму. Під час тесту іонна провідність батареї з новою діафрагмою при мінус 40°C в десять разів перевищує провідність батареї з комерційною діафрагмою.

Зараз команда Чена тестує сепаратори на основі MOF на інших електролітах. Чен сказав: «Ми бачили подібні ефекти. Використовуючи цей MOF як стабілізатор, можна адсорбувати різні молекули електроліту, щоб підвищити безпеку батареї, включаючи традиційні літієві батареї з летючими електролітами».