Inženjeri su razvili separator koji stabilizira plinovite elektrolite kako bi baterije na ultra niskim temperaturama bile sigurnije

Prema izvješćima stranih medija, nano inženjeri na Kalifornijskom sveučilištu u San Diegu razvili su separator baterija koji može djelovati kao barijera između katode i anode kako bi spriječio isparavanje plinovitog elektrolita u bateriji. Nova dijafragma sprječava nakupljanje unutarnjeg tlaka oluje, čime se sprječava bubrenje i eksplozija baterije.

Voditelj istraživanja, Zheng Chen, profesor nanoinženjeringa na Jacobs School of Engineering na Sveučilištu u Kaliforniji, San Diego, rekao je: "Zarobljavanjem molekula plina, membrana može djelovati kao stabilizator za hlapljive elektrolite."

Novi separator može poboljšati performanse baterije na ultra niskim temperaturama. Baterija koja koristi membranu može raditi na minus 40°C, a kapacitet može biti čak 500 miliamper sati po gramu, dok komercijalna membranska baterija u ovom slučaju ima gotovo nultu snagu. Istraživači kažu da čak i ako se ne koristi dva mjeseca, kapacitet baterije je i dalje velik. Ova izvedba pokazuje da dijafragma također može produžiti vijek trajanja. Ovo otkriće omogućuje istraživačima daljnje postizanje svog cilja: proizvodnju baterija koje mogu osigurati električnu energiju za vozila u ledenim okruženjima, kao što su svemirske letjelice, sateliti i dubokomorski brodovi.

Ovo se istraživanje temelji na studiji u laboratoriju Ying Shirley Meng, profesorice nanoinženjeringa na Kalifornijskom sveučilištu u San Diegu. Ovo istraživanje koristi određeni elektrolit ukapljenog plina za razvoj baterije koja po prvi put može održavati dobre performanse u okruženju od minus 60°C. Među njima, ukapljeni plinski elektrolit je plin koji se ukapljuje pod pritiskom i otporniji je na niske temperature od tradicionalnih tekućih elektrolita.

Ali ova vrsta elektrolita ima nedostatak; lako se prelazi iz tekućine u plin. Chen je rekao: "Ovaj problem je najveći sigurnosni problem za ovaj elektrolit." Tlak je potrebno povećati kako bi se molekule tekućine kondenzirale i elektrolit održao u tekućem stanju kako bi se elektrolit koristio.

Chenov laboratorij surađivao je s Mengom i Todom Pascalom, profesorima nanoinženjeringa na Kalifornijskom sveučilištu u San Diegu, kako bi riješili ovaj problem. Kombiniranjem stručnosti stručnjaka za računalstvo kao što je Pascal s istraživačima kao što su Chen i Meng, razvijena je metoda za ukapljivanje isparenog elektrolita bez brzog prejakog pritiska. Gore spomenuto osoblje povezano je s Centrom za znanost i inženjerstvo za istraživanje materijala (MRSEC) Sveučilišta u Kaliforniji, San Diego.

Ova metoda posuđuje iz fizičkog fenomena u kojem se molekule plina kondenziraju spontano kada su zarobljene u malim nano-prostorima. Taj se fenomen naziva kapilarna kondenzacija, zbog koje plin može postati tekući pri nižem tlaku. Istraživački je tim iskoristio ovaj fenomen za konstruiranje separatora baterija koji može stabilizirati elektrolit u baterijama na ultra niskim temperaturama, ukapljeni plinski elektrolit napravljen od plina fluorometana. Istraživači su koristili porozni kristalni materijal nazvan metalno-organski okvir (MOF) za stvaranje membrane. Jedinstvena stvar kod MOF-a je da je puna sitnih pora, koje mogu uhvatiti molekule plina fluorometana i kondenzirati ih pri relativno niskom tlaku. Na primjer, fluorometan se obično skuplja na minus 30°C i ima silu od 118 psi; ali ako se koristi MOF, tlak kondenzacije poroznih na istoj temperaturi je samo 11 psi.

Chen je rekao: "Ovaj MOF značajno smanjuje tlak potreban za rad elektrolita. Stoga naša baterija može pružiti veliku količinu kapaciteta na niskim temperaturama bez degradacije." Istraživači su testirali separator na bazi MOF-a u litij-ionskoj bateriji. . Litij-ionska baterija sastoji se od fluorougljične katode i litij metalne anode. Može ga napuniti plinovitim fluorometanskim elektrolitom pri unutarnjem tlaku od 70 psi, daleko nižem od tlaka potrebnog za ukapljivanje fluorometana. Baterija i dalje može održavati 57% svog kapaciteta sobne temperature na minus 40°C. Nasuprot tome, pri istoj temperaturi i tlaku, snaga komercijalne membranske baterije koja koristi plinoviti elektrolit koji sadrži fluorometan je gotovo nula.

Mikropore temeljene na MOF separatoru su ključne jer te mikropore mogu zadržati više elektrolita da teče u bateriji čak i pod smanjenim tlakom. Komercijalna dijafragma ima velike pore i ne može zadržati molekule plinovitih elektrolita pod sniženim tlakom. Ali mikroporoznost nije jedini razlog zašto dijafragma dobro radi u ovim uvjetima. Dijafragma koju su dizajnirali istraživači također omogućuje da pore tvore kontinuirani put od jednog kraja do drugog, čime se osigurava da litijevi ioni mogu slobodno teći kroz dijafragmu. U testu je ionska vodljivost baterije koja koristi novu dijafragmu na minus 40°C deset puta veća od baterije koja koristi komercijalnu membranu.

Chenov tim trenutno testira separatore bazirane na MOF-u na drugim elektrolitima. Chen je rekao: "Vidjeli smo slične učinke. Korištenjem ovog MOF-a kao stabilizatora, različite molekule elektrolita mogu se adsorbirati kako bi se poboljšala sigurnost baterija, uključujući tradicionalne litijeve baterije s hlapljivim elektrolitima."