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

Prema izvještajima stranih medija, nano inženjeri na Kalifornijskom univerzitetu 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 sprečava nakupljanje unutrašnjeg pritiska oluje, čime se sprečava da baterija nabubri i eksplodira.

Vođa istraživanja, Zheng Chen, profesor nanoinženjeringa na Jacobs School of Engineering na Univerzitetu Kalifornije u San Dijegu, rekao je: "Zarobljavanjem molekula plina, membrana može djelovati kao stabilizator za isparljive 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 visok. Ova izvedba pokazuje da dijafragma također može produžiti vijek trajanja. Ovo otkriće omogućava istraživačima da ostvare svoj cilj dalje: da proizvode baterije koje mogu osigurati električnu energiju za vozila u ledenim sredinama, kao što su svemirske letjelice, sateliti i dubokomorski brodovi.

Ovo istraživanje je zasnovano na studiji u laboratoriji Ying Shirley Meng, profesora nanoinženjeringa na Univerzitetu Kalifornije, San Diego. Ovo istraživanje koristi određeni elektrolit u tečnom plinu za razvoj baterije koja po prvi put može održati dobre performanse u okruženju od minus 60°C. Među njima, ukapljeni plinski elektrolit je plin koji se ukapljuje primjenom pritiska i otporniji je na niske temperature od tradicionalnih tekućih elektrolita.

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

Chenova laboratorija je sarađivala sa Mengom i Todom Pascalom, profesorima nanoinženjeringa na Kalifornijskom univerzitetu u San Diegu, kako bi riješili ovaj problem. Kombinacijom stručnosti stručnjaka za računarstvo kao što je Pascal sa istraživačima kao što su Chen i Meng, razvijena je metoda za ukapljivanje isparenog elektrolita bez brzog primjene prevelikog pritiska. Osoblje koje je gore pomenuto povezano je sa Centrom za nauku i inženjerstvo za istraživanje materijala (MRSEC) Univerziteta Kalifornije, San Dijego.

Ova metoda je pozajmljena iz fizičkog fenomena u kojem se molekuli plina kondenziraju spontano kada su zarobljeni u malim nano-prostorima. Ova pojava se naziva kapilarna kondenzacija, koja može učiniti da gas postane tečan pri nižem pritisku. Istraživački tim je iskoristio ovaj fenomen da konstruiše separator baterija koji može stabilizovati elektrolit u baterijama na ultra niskim temperaturama, tečni gasni elektrolit napravljen od gasa 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 pritisku. 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 pritisak potreban za rad elektrolita. Stoga naša baterija može pružiti veliku količinu kapaciteta na niskim temperaturama bez degradacije." Istraživači su testirali separator baziran na MOF-u u litijum-jonskoj bateriji. . Litijum-jonska baterija se sastoji od fluorokarbonske katode i litijum metalne anode. Može ga napuniti gasovitim fluorometanskim elektrolitom pri unutrašnjem pritisku od 70 psi, daleko nižem od pritiska potrebnog za ukapljivanje fluorometana. Baterija i dalje može održati 57% svog kapaciteta sobne temperature na minus 40°C. Nasuprot tome, pri istoj temperaturi i pritisku, snaga komercijalne membranske baterije koja koristi plinoviti elektrolit koji sadrži fluorometan je gotovo nula.

Mikropore zasnovane na MOF separatoru su ključne jer ove mikropore mogu zadržati više elektrolita da teče u bateriji čak i pod smanjenim pritiskom. 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 uslovima. Dijafragma koju su dizajnirali istraživači također omogućava porama da formiraju kontinuirani put od jednog do drugog kraja, čime se osigurava da litijevi joni mogu slobodno teći kroz dijafragmu. U testu, jonska provodljivost baterije koja koristi novu dijafragmu na minus 40°C je 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 efekte. Korištenjem ovog MOF-a kao stabilizatora, mogu se adsorbirati različiti molekuli elektrolita kako bi se poboljšala sigurnost baterija, uključujući tradicionalne litijumske baterije sa isparljivim elektrolitima."