Inženieri ir izstrādājuši separatoru, kas stabilizē gāzveida elektrolītus, lai padarītu īpaši zemas temperatūras baterijas drošākas

Saskaņā ar ārvalstu mediju ziņām, nanoinženieri Kalifornijas Universitātē Sandjego ir izstrādājuši akumulatora separatoru, kas var darboties kā barjera starp katodu un anodu, lai novērstu gāzveida elektrolīta akumulatorā iztvaikošanu. Jaunā diafragma neļauj uzkrāties iekšējam vētras spiedienam, tādējādi neļaujot akumulatoram uzbriest un eksplodēt.

Pētījuma vadītājs Zheng Chen, nanoinženierijas profesors Džeikobsas Inženierzinātņu skolā Kalifornijas Universitātē Sandjego, sacīja: "Notverot gāzes molekulas, membrāna var darboties kā gaistošo elektrolītu stabilizators."

Jaunais separators var uzlabot akumulatora veiktspēju īpaši zemās temperatūrās. Akumulatora šūna, kas izmanto diafragmu, var darboties mīnus 40°C temperatūrā, un jauda var sasniegt pat 500 miliampērstundas uz gramu, savukārt komerciālā diafragmas akumulatora jauda šajā gadījumā ir gandrīz nulle. Pētnieki saka, ka pat tad, ja tas tiek atstāts neizmantots divus mēnešus, akumulatora elementu kapacitāte joprojām ir augsta. Šī veiktspēja parāda, ka diafragma var arī pagarināt glabāšanas laiku. Šis atklājums ļauj pētniekiem tālāk sasniegt savu mērķi: ražot akumulatorus, kas var nodrošināt elektrību transportlīdzekļiem ledus vidē, piemēram, kosmosa kuģiem, satelītiem un dziļjūras kuģiem.

Šis pētījums ir balstīts uz Kalifornijas Universitātes Sandjego nanoinženierijas profesora Ying Shirley Meng laboratorijā veikto pētījumu. Šajā pētījumā tiek izmantots konkrēts sašķidrinātās gāzes elektrolīts, lai izstrādātu akumulatoru, kas pirmo reizi spēj uzturēt labu veiktspēju vidē, kuras temperatūra ir mīnus 60°C. Tostarp sašķidrinātās gāzes elektrolīts ir gāze, kas tiek sašķidrināta ar spiedienu un ir izturīgāka pret zemām temperatūrām nekā tradicionālie šķidrie elektrolīti.

Bet šāda veida elektrolītam ir defekts; to ir viegli nomainīt no šķidruma uz gāzi. Čens sacīja: "Šī problēma ir šī elektrolīta lielākā drošības problēma." Lai izmantotu elektrolītu, ir jāpalielina spiediens, lai kondensētu šķidruma molekulas un saglabātu elektrolītu šķidrā stāvoklī.

Čena laboratorija sadarbojās ar Mengu un Todu Paskālu, nanoinženierijas profesoru Kalifornijas Universitātē Sandjego, lai atrisinātu šo problēmu. Apvienojot skaitļošanas ekspertu, piemēram, Paskāla, zināšanas ar tādiem pētniekiem kā Chen un Meng, ir izstrādāta metode, kā sašķidrināt iztvaicēto elektrolītu, ātri nepieliekot pārāk lielu spiedienu. Iepriekš minētie darbinieki ir saistīti ar Materiālu pētniecības zinātnes un inženierijas centru (MRSEC) Kalifornijas Universitātē Sandjego.

Šī metode ir aizgūta no fiziskas parādības, kurā gāzes molekulas spontāni kondensējas, kad tās tiek notvertas mazās nanomēroga telpās. Šo parādību sauc par kapilāro kondensāciju, kas var padarīt gāzi šķidru ar zemāku spiedienu. Pētnieku grupa izmantoja šo parādību, lai izveidotu akumulatora separatoru, kas var stabilizēt elektrolītu īpaši zemas temperatūras akumulatoros, sašķidrinātās gāzes elektrolītā, kas izgatavots no fluormetāna gāzes. Pētnieki izmantoja porainu kristālisku materiālu, ko sauc par metāla organisko ietvaru (MOF), lai izveidotu membrānu. MOF unikālā lieta ir tā, ka tas ir pilns ar sīkām porām, kas var notvert fluormetāna gāzes molekulas un kondensēt tās salīdzinoši zemā spiedienā. Piemēram, fluormetāns parasti saraujas pie mīnus 30°C, un tā spēks ir 118 psi; bet, ja izmanto MOF, porainu kondensācijas spiediens tajā pašā temperatūrā ir tikai 11 psi.

Čens sacīja: "Šis MOF ievērojami samazina spiedienu, kas nepieciešams, lai elektrolīts darbotos. Tāpēc mūsu akumulators var nodrošināt lielu jaudu zemā temperatūrā bez degradācijas." Pētnieki pārbaudīja uz MOF balstītu separatoru litija jonu akumulatorā. . Litija jonu akumulators sastāv no fluoroglekļa katoda un litija metāla anoda. Tas var piepildīt to ar gāzveida fluormetāna elektrolītu ar iekšējo spiedienu 70 psi, kas ir daudz zemāks par spiedienu, kas nepieciešams fluormetāna sašķidrināšanai. Akumulators joprojām var uzturēt 57% no istabas temperatūras jaudas pie mīnus 40°C. Turpretim tajā pašā temperatūrā un spiedienā komerciālā diafragmas akumulatora jauda, ​​kurā tiek izmantots gāzveida elektrolīts, kas satur fluormetānu, ir gandrīz nulle.

Mikroporas, kuru pamatā ir MOF separators, ir galvenais, jo šīs mikroporas var nodrošināt vairāk elektrolītu plūsmas akumulatorā pat zemā spiedienā. Komerciālajai diafragmai ir lielas poras, un tā nevar noturēt gāzveida elektrolītu molekulas pazeminātā spiedienā. Bet mikroporainība nav vienīgais iemesls, kāpēc diafragma darbojas labi šādos apstākļos. Pētnieku izstrādātā diafragma arī ļauj porām veidot nepārtrauktu ceļu no viena gala uz otru, tādējādi nodrošinot, ka litija joni var brīvi plūst cauri diafragmai. Testā akumulatora jonu vadītspēja, izmantojot jauno diafragmu mīnus 40 °C temperatūrā, ir desmit reizes lielāka nekā akumulatora jonu vadītspēja, izmantojot komerciālo diafragmu.

Čena komanda pašlaik testē uz MOF balstītus separatorus uz citiem elektrolītiem. Čens sacīja: "Mēs esam redzējuši līdzīgus efektus. Izmantojot šo MOF kā stabilizatoru, dažādas elektrolītu molekulas var adsorbēt, lai uzlabotu akumulatora drošību, tostarp tradicionālās litija baterijas ar gaistošiem elektrolītiem."