Strona główna / Blog / Inżynierowie opracowali separator, który stabilizuje elektrolity w stanie gazowym, aby zwiększyć bezpieczeństwo akumulatorów o bardzo niskich temperaturach

Inżynierowie opracowali separator, który stabilizuje elektrolity w stanie gazowym, aby zwiększyć bezpieczeństwo akumulatorów o bardzo niskich temperaturach

20 Październik 2021

By skakać

Według doniesień zagranicznych mediów, nanoinżynierowie z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego opracowali separator baterii, który może działać jako bariera między katodą a anodą, zapobiegając parowaniu gazowego elektrolitu w baterii. Nowa membrana zapobiega gromadzeniu się wewnętrznego ciśnienia burzy, zapobiegając w ten sposób pęcznieniu i eksplozji baterii.

Kierownik badań, Zheng Chen, profesor nanoinżynierii w Jacobs School of Engineering na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego, powiedział: „Przechwytując cząsteczki gazu, membrana może działać jako stabilizator lotnych elektrolitów”.

Nowy separator może poprawić wydajność baterii w bardzo niskich temperaturach. Ogniwo bateryjne wykorzystujące membranę może działać w temperaturze minus 40°C, a wydajność może wynosić nawet 500 miliamperogodzin na gram, podczas gdy komercyjna bateria membranowa ma w tym przypadku prawie zerową moc. Naukowcy twierdzą, że nawet jeśli nie będzie używany przez dwa miesiące, pojemność ogniwa baterii jest nadal wysoka. Ta wydajność pokazuje, że membrana może również wydłużyć okres przechowywania. Odkrycie to pozwala naukowcom dalej osiągnąć swój cel: wyprodukować baterie, które mogą dostarczać energię elektryczną pojazdom w lodowatych środowiskach, takim jak statki kosmiczne, satelity i statki głębinowe.

Badania te opierają się na badaniach w laboratorium Ying Shirley Meng, profesora nanoinżynierii na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego. W tych badaniach wykorzystano szczególny elektrolit w postaci skroplonego gazu do opracowania akumulatora, który po raz pierwszy może utrzymać dobrą wydajność w środowisku minus 60°C. Wśród nich elektrolit gazowy skroplony to gaz, który ulega skropleniu pod wpływem ciśnienia i jest bardziej odporny na niskie temperatury niż tradycyjne elektrolity płynne.

Ale ten rodzaj elektrolitu ma wadę; łatwo jest przejść z cieczy na gaz. Chen powiedział: „Ten problem jest największym problemem bezpieczeństwa dla tego elektrolitu”. Ciśnienie należy zwiększyć, aby skondensować cząsteczki cieczy i utrzymać elektrolit w stanie ciekłym, aby można było użyć elektrolitu.

Laboratorium Chen współpracowało z Mengiem i Todem Pascalami, profesorem nanoinżynierii na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego, aby rozwiązać ten problem. Dzięki połączeniu wiedzy ekspertów komputerowych, takich jak Pascal, z naukowcami, takimi jak Chen i Meng, opracowano metodę skraplania odparowanego elektrolitu bez stosowania zbyt dużego ciśnienia. Wspomniany powyżej personel jest powiązany z Centrum Badań Materiałowych i Inżynierii (MRSEC) Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego.

Ta metoda zapożycza się ze zjawiska fizycznego, w którym cząsteczki gazu kondensują się spontanicznie, gdy są uwięzione w maleńkich przestrzeniach w skali nano. Zjawisko to nazywa się kondensacją kapilarną, która może spowodować, że gaz stanie się ciekły przy niższym ciśnieniu. Zespół badawczy wykorzystał to zjawisko do skonstruowania separatora akumulatorów, który może stabilizować elektrolit w akumulatorach ultraniskotemperaturowych — elektrolit w postaci skroplonego gazu wytworzony z gazowego fluorometanu. Do stworzenia membrany badacze użyli porowatego materiału krystalicznego zwanego szkieletem metaloorganicznym (MOF). Wyjątkową cechą MOF jest to, że jest pełen maleńkich porów, które mogą wyłapywać cząsteczki gazu fluorometanu i skraplać je pod stosunkowo niskim ciśnieniem. Na przykład fluorometan zwykle kurczy się w temperaturze minus 30°C i ma siłę 118 psi; ale jeśli stosuje się MOF, ciśnienie kondensacji porowatych w tej samej temperaturze wynosi tylko 11 psi.

Chen powiedział: „Ten MOF znacznie zmniejsza ciśnienie wymagane do działania elektrolitu. Dlatego nasza bateria może zapewnić dużą pojemność w niskich temperaturach bez degradacji”. Naukowcy przetestowali separator na bazie MOF w baterii litowo-jonowej. . Akumulator litowo-jonowy składa się z katody fluorowęglowej i anody litowo-metalowej. Można go napełnić gazowym elektrolitem fluorometanowym o ciśnieniu wewnętrznym 70 psi, znacznie niższym niż ciśnienie wymagane do skraplania fluorometanu. Akumulator może nadal utrzymywać 57% swojej pojemności w temperaturze pokojowej przy minus 40°C. W przeciwieństwie do tego, przy tej samej temperaturze i ciśnieniu, moc komercyjnego akumulatora membranowego wykorzystującego gazowy elektrolit zawierający fluorometan jest prawie zerowy.

Mikropory oparte na separatorze MOF są kluczowe, ponieważ te mikropory mogą utrzymać przepływ większej ilości elektrolitów w akumulatorze nawet przy zmniejszonym ciśnieniu. Komercyjna membrana ma duże pory i nie może zatrzymywać gazowych cząsteczek elektrolitu pod zmniejszonym ciśnieniem. Ale mikroporowatość to nie jedyny powód, dla którego membrana dobrze sprawdza się w tych warunkach. Zaprojektowana przez naukowców membrana umożliwia również tworzenie przez pory ciągłej ścieżki od jednego końca do drugiego, zapewniając w ten sposób swobodny przepływ jonów litu przez membranę. W teście przewodność jonowa akumulatora z nową membraną w temperaturze minus 40°C jest dziesięciokrotnie większa niż w przypadku akumulatora z membraną komercyjną.

Zespół Chena testuje obecnie separatory oparte na MOF na innych elektrolitach. Chen powiedział: „Widzieliśmy podobne efekty. Używając tego MOF jako stabilizatora, różne cząsteczki elektrolitu mogą być adsorbowane w celu poprawy bezpieczeństwa baterii, w tym tradycyjnych baterii litowych z lotnymi elektrolitami”.

close_white
zamknięte

Napisz zapytanie tutaj

odpowiedz w ciągu 6 godzin, wszelkie pytania są mile widziane!

    [klasa^="wpforms-"]
    [klasa^="wpforms-"]