Инженерите са разработили сепаратор, който стабилизира газообразните електролити, за да направи батериите с ултра ниска температура по-безопасни

Според съобщения в чуждестранни медии, нано инженери от Калифорнийския университет в Сан Диего са разработили сепаратор на батерии, който може да действа като бариера между катода и анода, за да предотврати изпаряването на газообразния електролит в батерията. Новата диафрагма предотвратява натрупването на вътрешното налягане на бурята, като по този начин предпазва батерията от подуване и експлозия.

Ръководителят на изследването, Джън Чен, професор по наноинженерство в Инженерното училище Джейкъбс в Калифорнийския университет в Сан Диего, каза: „Чрез улавяне на газови молекули, мембраната може да действа като стабилизатор за летливите електролити“.

Новият сепаратор може да подобри производителността на батерията при свръхниски температури. Батерийната клетка, използваща диафрагмата, може да работи при минус 40°C, а капацитетът може да достигне до 500 милиампер часа на грам, докато търговската диафрагмена батерия има почти нулева мощност в този случай. Изследователите казват, че дори и да не се използва в продължение на два месеца, капацитетът на батерията все още е висок. Това представяне показва, че диафрагмата може също да удължи живота на съхранение. Това откритие позволява на изследователите да постигнат целта си по-нататък: да произвеждат батерии, които могат да осигурят електричество за превозни средства в ледена среда, като космически кораби, сателити и дълбоководни кораби.

Това изследване се основава на изследване в лабораторията на Ин Шърли Менг, професор по наноинженерство в Калифорнийския университет в Сан Диего. Това изследване използва конкретен електролит втечнен газ за разработване на батерия, която може да поддържа добра производителност в среда минус 60°C за първи път. Сред тях електролитът за втечнен газ е газ, който се втечнява чрез прилагане на налягане и е по-устойчив на ниски температури от традиционните течни електролити.

Но този вид електролит има дефект; лесно се преминава от течност в газ. Чен каза: "Този проблем е най-големият проблем с безопасността за този електролит." Налягането трябва да се увеличи, за да се кондензират течните молекули и да се поддържа електролита в течно състояние, за да се използва електролита.

Лабораторията на Чен си сътрудничи с Менг и Тод Паскал, професор по наноинженерство в Калифорнийския университет в Сан Диего, за да разреши този проблем. Чрез комбиниране на опита на компютърни експерти като Pascal с изследователи като Чен и Менг, е разработен метод за втечняване на изпарения електролит, без бързо прилагане на твърде много натиск. Посоченият по-горе персонал е свързан с Центъра за научни изследвания и инженерство на материалите (MRSEC) на Калифорнийския университет, Сан Диего.

Този метод заимства от физическо явление, при което газовите молекули кондензират спонтанно, когато са уловени в малки наномащабни пространства. Това явление се нарича капилярна кондензация, която може да накара газа да стане течен при по-ниско налягане. Изследователският екип използва това явление, за да конструира сепаратор на батерии, който може да стабилизира електролита в батерии с ултра ниска температура, електролит за втечнен газ, направен от флуорометан. Изследователите са използвали порест кристален материал, наречен метално-органична рамка (MOF), за да създадат мембраната. Уникалното при MOF е, че е пълен с малки пори, които могат да улавят молекули на флуорометан и да ги кондензират при относително ниско налягане. Например, флуорометанът обикновено се свива при минус 30°C и има сила от 118 psi; но ако се използва MOF, налягането на кондензация на порест при същата температура е само 11 psi.

Чен каза: "Този MOF значително намалява налягането, необходимо за работа на електролита. Следователно нашата батерия може да осигури голям капацитет при ниски температури без разграждане." Изследователите тестваха сепаратор, базиран на MOF, в литиево-йонна батерия. . Литиево-йонната батерия се състои от флуоровъглероден катод и литиев метален анод. Може да го напълни с газообразен флуорометан електролит при вътрешно налягане от 70 psi, много по-ниско от налягането, необходимо за втечняване на флуорометан. Батерията все още може да поддържа 57% от капацитета си на стайна температура при минус 40°C. За разлика от тях, при същата температура и налягане, мощността на търговската диафрагмена батерия, използваща газообразен електролит, съдържащ флуорометан, е почти нула.

Микропорите, базирани на MOF сепаратора, са ключовите, защото тези микропори могат да поддържат повече електролити, течащи в батерията, дори при понижено налягане. Търговската диафрагма има големи пори и не може да задържа молекули на газообразния електролит при понижено налягане. Но микропорьозността не е единствената причина диафрагмата да работи добре при тези условия. Диафрагмата, проектирана от изследователите, също така позволява на порите да образуват непрекъснат път от единия край до другия, като по този начин гарантира, че литиевите йони могат да протичат свободно през диафрагмата. При теста йонната проводимост на батерията, използваща новата диафрагма при минус 40°C, е десет пъти по-голяма от тази на батерията, използваща търговската диафрагма.

Екипът на Чен в момента тества сепаратори, базирани на MOF, върху други електролити. Чен каза: "Виждали сме подобни ефекти. Чрез използването на този MOF като стабилизатор, различни електролитни молекули могат да бъдат адсорбирани, за да се подобри безопасността на батерията, включително традиционните литиеви батерии с летливи електролити."