Ingenjörer har utvecklat en separator som stabiliserar gasformiga elektrolyter för att göra batterier med ultralåg temperatur säkrare
By hoppt
Enligt rapporter i utländska medier har nanoingenjörer vid University of California San Diego utvecklat en batteriseparator som kan fungera som en barriär mellan katoden och anoden för att förhindra att den gasformiga elektrolyten i batteriet förångas. Det nya membranet förhindrar att det inre trycket från stormen ackumuleras, vilket förhindrar att batteriet sväller och exploderar.
Forskningsledaren, Zheng Chen, professor i nanoteknik vid Jacobs School of Engineering vid University of California, San Diego, sa: "Genom att fånga in gasmolekyler kan membranet fungera som en stabilisator för flyktiga elektrolyter."
Den nya separatorn kan förbättra batteriets prestanda vid ultralåga temperaturer. Battericellen som använder membranet kan arbeta vid minus 40°C, och kapaciteten kan vara så hög som 500 milliampertimmar per gram, medan det kommersiella membranbatteriet har nästan noll effekt i detta fall. Forskare säger att även om den får stå oanvänd i två månader är battericellens kapacitet fortfarande hög. Denna prestanda visar att membranet också kan förlänga lagringstiden. Denna upptäckt gör det möjligt för forskare att nå sitt mål ytterligare: att producera batterier som kan ge elektricitet till fordon i isiga miljöer, som rymdfarkoster, satelliter och djuphavsfartyg.
Denna forskning är baserad på en studie i laboratoriet av Ying Shirley Meng, professor i nanoteknik vid University of California, San Diego. Denna forskning använder en speciell flytande gaselektrolyt för att utveckla ett batteri som kan bibehålla god prestanda i en miljö minus 60°C för första gången. Bland dem är den flytande gaselektrolyten en gas som kondenseras genom att applicera tryck och är mer motståndskraftig mot låga temperaturer än traditionella flytande elektrolyter.
Men denna typ av elektrolyt har en defekt; det är lätt att byta från vätska till gas. Chen sa: "Detta problem är den största säkerhetsfrågan för denna elektrolyt." Trycket måste ökas för att kondensera vätskemolekylerna och hålla elektrolyten i flytande tillstånd för att använda elektrolyten.
Chens laboratorium samarbetade med Meng och Tod Pascal, professor i nanoteknik vid University of California, San Diego, för att lösa detta problem. Genom att kombinera expertis från dataexperter som Pascal med forskare som Chen och Meng har en metod utvecklats för att göra den förångade elektrolyten flytande utan att applicera för mycket tryck snabbt. Personalen som nämns ovan är knuten till Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC) vid University of California, San Diego.
Denna metod lånar från ett fysiskt fenomen där gasmolekyler kondenserar spontant när de fångas i små nanoskaliga utrymmen. Detta fenomen kallas kapillär kondensation, vilket kan göra att gasen blir flytande vid ett lägre tryck. Forskargruppen använde detta fenomen för att konstruera en batteriseparator som kan stabilisera elektrolyten i batterier med ultralåg temperatur, en flytande gaselektrolyt gjord av fluormetangas. Forskarna använde ett poröst kristallint material som kallas en metall-organisk ram (MOF) för att skapa membranet. Det unika med MOF är att den är full av små porer, som kan fånga fluormetangasmolekyler och kondensera dem vid relativt lågt tryck. Till exempel krymper fluormetan vanligtvis vid minus 30°C och har en kraft på 118 psi; men om MOF används är kondensationstrycket för porösa vid samma temperatur endast 11 psi.
Chen sa: "Denna MOF minskar avsevärt det tryck som krävs för att elektrolyten ska fungera. Därför kan vårt batteri ge en stor mängd kapacitet vid låga temperaturer utan att degraderas." Forskarna testade en MOF-baserad separator i ett litiumjonbatteri. . Litiumjonbatteriet består av en fluorkolkatod och en litiummetallanod. Den kan fylla den med en gasformig fluormetanelektrolyt vid ett internt tryck på 70 psi, mycket lägre än det tryck som krävs för att göra fluormetan till vätska. Batteriet kan fortfarande behålla 57 % av sin rumstemperaturkapacitet vid minus 40°C. Däremot, vid samma temperatur och tryck, är effekten hos ett kommersiellt membranbatteri som använder en gasformig elektrolyt som innehåller fluormetan nästan noll.
Mikroporerna baserade på MOF-separatorn är nyckeln eftersom dessa mikroporer kan hålla fler elektrolyter flytande i batteriet även under reducerat tryck. Det kommersiella diafragman har stora porer och kan inte hålla kvar gasformiga elektrolytmolekyler under reducerat tryck. Men mikroporositet är inte den enda anledningen till att diafragman fungerar bra under dessa förhållanden. Diafragman designad av forskarna gör också att porerna kan bilda en kontinuerlig bana från den ena änden till den andra, vilket säkerställer att litiumjoner kan flöda fritt genom diafragman. I testet är jonledningsförmågan för batteriet med det nya membranet vid minus 40°C tio gånger högre än batteriet med det kommersiella membranet.
Chens team testar för närvarande MOF-baserade separatorer på andra elektrolyter. Chen sa: "Vi har sett liknande effekter. Genom att använda denna MOF som stabilisator kan olika elektrolytmolekyler adsorberas för att förbättra batterisäkerheten, inklusive traditionella litiumbatterier med flyktiga elektrolyter."
