Инженеры разработали сепаратор, который стабилизирует газообразные электролиты, чтобы сделать сверхнизкотемпературные аккумуляторы более безопасными.

По сообщениям зарубежных СМИ, инженеры-наноинженеры из Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали аккумуляторный сепаратор, который может выступать в качестве барьера между катодом и анодом для предотвращения испарения газообразного электролита в аккумуляторе. Новая диафрагма предотвращает накопление внутреннего давления шторма, тем самым предотвращая вздутие и взрыв батареи.

Руководитель исследования Чжэн Чен, профессор наноинженерии в Инженерной школе Джейкобса Калифорнийского университета в Сан-Диего, сказал: «Улавливая молекулы газа, мембрана может действовать как стабилизатор летучих электролитов».

Новый сепаратор может повысить производительность батареи при сверхнизких температурах. Аккумуляторная батарея с использованием диафрагмы может работать при минус 40°С, а емкость может достигать 500 миллиампер-часов на грамм, в то время как промышленная диафрагменная батарея имеет в этом случае практически нулевую мощность. Исследователи говорят, что даже если он не используется в течение двух месяцев, емкость аккумуляторной батареи остается высокой. Эти характеристики показывают, что диафрагма также может продлить срок хранения. Это открытие позволяет исследователям еще больше достичь своей цели: производить батареи, которые могут обеспечивать электроэнергией транспортные средства в ледяной среде, такие как космические корабли, спутники и глубоководные корабли.

Это исследование основано на исследовании в лаборатории Ин Ширли Мэн, профессора наноинженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего. В этом исследовании используется особый сжиженный газовый электролит для разработки батареи, которая впервые может сохранять хорошие характеристики при температуре окружающей среды минус 60°C. Среди них сжиженный газовый электролит представляет собой газ, который сжижается под давлением и более устойчив к низким температурам, чем традиционные жидкие электролиты.

Но у такого электролита есть недостаток; легко перейти с жидкости на газ. Чен сказал: «Эта проблема является самой большой проблемой безопасности для этого электролита». Давление необходимо увеличить, чтобы сконденсировать молекулы жидкости и сохранить электролит в жидком состоянии, чтобы использовать электролит.

Лаборатория Чена сотрудничала с Менгом и Тодом Паскалем, профессорами наноинженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего, чтобы решить эту проблему. Объединив опыт компьютерных экспертов, таких как Паскаль, с исследователями, такими как Чен и Мэн, был разработан метод сжижения испаренного электролита без быстрого приложения слишком большого давления. Упомянутый выше персонал работает в Центре материаловедения и инженерии (MRSEC) Калифорнийского университета в Сан-Диего.

Этот метод основан на физическом явлении, при котором молекулы газа спонтанно конденсируются, попав в крошечные нанопространства. Это явление называется капиллярной конденсацией, при которой газ может стать жидким при более низком давлении. Исследовательская группа использовала это явление для создания аккумуляторного сепаратора, который может стабилизировать электролит в сверхнизкотемпературных батареях, представляющий собой сжиженный газовый электролит, изготовленный из газообразного фторметана. Исследователи использовали пористый кристаллический материал, называемый металлоорганическим каркасом (MOF), для создания мембраны. Уникальность MOF заключается в том, что он полон крошечных пор, которые могут улавливать молекулы газообразного фторметана и конденсировать их при относительно низком давлении. Например, фторметан обычно дает усадку при минус 30°С и имеет усилие 118 фунтов на квадратный дюйм; но если используется MOF, давление конденсации пористого материала при той же температуре составляет всего 11 фунтов на квадратный дюйм.

Чен сказал: «Этот MOF значительно снижает давление, необходимое для работы электролита. Таким образом, наша батарея может обеспечивать большую емкость при низких температурах без ухудшения характеристик». Исследователи протестировали сепаратор на основе MOF в литий-ионной батарее. . Литий-ионный аккумулятор состоит из фторуглеродного катода и металлического литиевого анода. Он может заполнить его газообразным фторметановым электролитом при внутреннем давлении 70 фунтов на квадратный дюйм, что намного ниже, чем давление, необходимое для сжижения фторметана. Аккумулятор по-прежнему может поддерживать 57% своей емкости при комнатной температуре при минус 40°C. Напротив, при тех же температуре и давлении мощность промышленной диафрагменной батареи, использующей газообразный электролит, содержащий фторметан, практически равна нулю.

Микропоры на основе сепаратора MOF являются ключевыми, поскольку эти микропоры могут удерживать больше электролитов в аккумуляторе даже при пониженном давлении. Коммерческая диафрагма имеет большие поры и не может удерживать газообразные молекулы электролита при пониженном давлении. Но микропористость — не единственная причина, по которой диафрагма хорошо работает в этих условиях. Диафрагма, разработанная исследователями, также позволяет порам образовывать непрерывный путь от одного конца к другому, тем самым обеспечивая свободное прохождение ионов лития через диафрагму. В ходе испытаний ионная проводимость батареи с новой диафрагмой при температуре минус 40°C в десять раз больше, чем у батареи с имеющейся в продаже диафрагмой.

В настоящее время команда Чена тестирует сепараторы на основе MOF на других электролитах. Чен сказал: «Мы наблюдали аналогичные эффекты. Используя этот MOF в качестве стабилизатора, можно адсорбировать различные молекулы электролита для повышения безопасности батареи, включая традиционные литиевые батареи с летучими электролитами».