Inženýři vyvinuli separátor, který stabilizuje plynné elektrolyty, aby byly baterie s ultranízkými teplotami bezpečnější

Podle zpráv zahraničních médií vyvinuli nanoinženýři z Kalifornské univerzity v San Diegu separátor baterií, který může fungovat jako bariéra mezi katodou a anodou, aby se zabránilo odpařování plynného elektrolytu v baterii. Nová membrána zabraňuje hromadění vnitřního tlaku bouře, a tím zabraňuje nabobtnání a explozi baterie.

Vedoucí výzkumu, Zheng Chen, profesor nanoinženýrství na Jacobs School of Engineering na University of California v San Diegu, řekl: "Zachycováním molekul plynu může membrána fungovat jako stabilizátor pro těkavé elektrolyty."

Nový separátor může zlepšit výkon baterie při extrémně nízkých teplotách. Bateriový článek využívající membránu může pracovat při minus 40 °C a kapacita může dosahovat až 500 miliampérhodin na gram, zatímco komerční membránová baterie má v tomto případě téměř nulový výkon. Vědci tvrdí, že i když se nepoužije dva měsíce, kapacita baterie je stále vysoká. Tento výkon ukazuje, že membrána může také prodloužit životnost. Tento objev umožňuje výzkumníkům dosáhnout svého cíle dále: vyrábět baterie, které mohou poskytovat elektřinu pro vozidla v ledovém prostředí, jako jsou kosmické lodě, satelity a hlubokomořské lodě.

Tento výzkum je založen na studii v laboratoři Ying Shirley Meng, profesorky nanoinženýrství na Kalifornské univerzitě v San Diegu. Tento výzkum používá konkrétní elektrolyt zkapalněného plynu k vývoji baterie, která si poprvé dokáže udržet dobrý výkon v prostředí mínus 60 °C. Mezi nimi je elektrolytem zkapalněného plynu plyn, který je zkapalněný působením tlaku a je odolnější vůči nízkým teplotám než tradiční kapalné elektrolyty.

Ale tento druh elektrolytu má vadu; je snadné přejít z kapaliny na plyn. Chen řekl: "Tento problém je největším bezpečnostním problémem tohoto elektrolytu." Pro kondenzaci molekul kapaliny a udržení elektrolytu v kapalném stavu pro použití elektrolytu je třeba zvýšit tlak.

Na vyřešení tohoto problému Chenova laboratoř spolupracovala s Mengem a Todem Pascalem, profesorem nanoinženýrství na Kalifornské univerzitě v San Diegu. Spojením odborných znalostí počítačových expertů, jako je Pascal, s výzkumníky, jako jsou Chen a Meng, byla vyvinuta metoda ke zkapalnění odpařeného elektrolytu bez rychlého použití příliš velkého tlaku. Výše zmínění zaměstnanci jsou přidruženi k Centru pro výzkum materiálů a inženýrství (MRSEC) Kalifornské univerzity v San Diegu.

Tato metoda vychází z fyzikálního jevu, při kterém molekuly plynu spontánně kondenzují, když jsou zachyceny v malých prostorech v nanoměřítku. Tento jev se nazývá kapilární kondenzace, která může způsobit, že se plyn stane kapalným při nižším tlaku. Výzkumný tým použil tento jev ke konstrukci separátoru baterií, který dokáže stabilizovat elektrolyt v ultranízkoteplotních bateriích, elektrolyt zkapalněného plynu vyrobený z plynu fluorometanu. Vědci použili k vytvoření membrány porézní krystalický materiál nazývaný kovově-organická kostra (MOF). Jedinečná věc na MOF je, že je plná drobných pórů, které mohou zachycovat molekuly plynu fluorometanu a kondenzovat je při relativně nízkém tlaku. Například fluormethan se obvykle smršťuje při minus 30 °C a má sílu 118 psi; ale pokud se použije MOF, kondenzační tlak porézního materiálu při stejné teplotě je pouze 11 psi.

Chen řekl: "Toto MOF výrazně snižuje tlak potřebný k tomu, aby elektrolyt fungoval. Naše baterie proto může poskytnout velké množství kapacity při nízkých teplotách bez degradace." Vědci testovali separátor na bázi MOF v lithium-iontové baterii. . Lithium-iontová baterie se skládá z fluorokarbonové katody a lithiové kovové anody. Může ji naplnit plynným fluorometanovým elektrolytem při vnitřním tlaku 70 psi, mnohem nižším, než je tlak potřebný pro zkapalnění fluorometanu. Baterie si stále dokáže udržet 57 % své pokojové teploty při mínus 40 °C. Naproti tomu při stejné teplotě a tlaku je výkon komerční membránové baterie využívající plynný elektrolyt obsahující fluorometan téměř nulový.

Klíčové jsou mikropóry založené na separátoru MOF, protože tyto mikropóry dokážou udržet proudění většího množství elektrolytů v baterii i při sníženém tlaku. Komerční membrána má velké póry a nemůže zadržet molekuly plynného elektrolytu za sníženého tlaku. Mikroporéznost však není jediným důvodem, proč membrána za těchto podmínek funguje dobře. Membrána navržená výzkumníky také umožňuje, aby póry tvořily souvislou cestu z jednoho konce na druhý, čímž je zajištěno, že ionty lithia mohou volně proudit membránou. V testu je iontová vodivost baterie používající novou membránu při mínus 40 °C desetkrát vyšší než u baterie používající komerční membránu.

Chenův tým v současné době testuje separátory na bázi MOF na jiných elektrolytech. Chen řekl: "Zaznamenali jsme podobné účinky. Použitím tohoto MOF jako stabilizátoru lze adsorbovat různé molekuly elektrolytu, aby se zlepšila bezpečnost baterií, včetně tradičních lithiových baterií s těkavými elektrolyty."