A mérnökök kifejlesztettek egy szeparátort, amely stabilizálja a gáznemű elektrolitokat, hogy biztonságosabbá tegyék az ultraalacsony hőmérsékletű akkumulátorokat

Külföldi sajtóértesülések szerint a San Diego-i Kaliforniai Egyetem nanomérnökei olyan akkumulátorleválasztót fejlesztettek ki, amely gátként szolgálhat a katód és az anód között, hogy megakadályozza az akkumulátorban lévő gáznemű elektrolit elpárolgását. Az új membrán megakadályozza a vihar belső nyomásának felhalmozódását, ezáltal megakadályozza az akkumulátor megduzzadását és felrobbanását.

A kutatás vezetője, Zheng Chen, a San Diego-i Kaliforniai Egyetem Jacobs Műszaki Iskola nanomérnöki professzora elmondta: "A gázmolekulák befogásával a membrán az illékony elektrolitok stabilizátoraként működhet."

Az új szeparátor javíthatja az akkumulátor teljesítményét rendkívül alacsony hőmérsékleten. A membránt használó akkumulátorcella mínusz 40°C-on tud működni, kapacitása grammonként akár 500 milliamperóra is lehet, míg a kereskedelmi forgalomban kapható membrános akkumulátor teljesítménye ebben az esetben szinte nulla. A kutatók szerint még ha két hónapig nem is használják, az akkumulátorcellák kapacitása továbbra is magas. Ez a teljesítmény azt mutatja, hogy a membrán a tárolási időt is meghosszabbíthatja. Ez a felfedezés lehetővé teszi a kutatók számára, hogy elérjék céljukat további: olyan elemek előállításához, amelyek villamos energiát biztosítanak a jeges környezetben, például űrhajók, műholdak és mélytengeri hajók számára.

Ez a kutatás Ying Shirley Meng, a San Diego-i Kaliforniai Egyetem nanomérnöki professzorának laboratóriumában végzett tanulmányon alapul. Ez a kutatás egy speciális cseppfolyósított gáz elektrolitot használ fel olyan akkumulátor kifejlesztésére, amely először képes fenntartani a jó teljesítményt mínusz 60°C-os környezetben. Ezek közül, a cseppfolyósított gáz elektrolit olyan gáz, amely a cseppfolyósított nyomás alkalmazásával, és jobban ellenáll az alacsony hőmérséklet, mint a hagyományos folyékony elektrolitok.

De ennek a fajta elektrolitnak hibája van; könnyen cserélhető folyadékról gázra. Chen azt mondta: "Ez a probléma a legnagyobb biztonsági probléma ennél az elektrolitnál." A nyomást növelni kell a folyékony molekulák kondenzálásához és az elektrolit folyékony halmazállapotban tartásához az elektrolit felhasználásához.

Chen laboratóriuma együttműködött Menggel és Tod Pascallal, a San Diego-i Kaliforniai Egyetem nanomérnöki professzorával a probléma megoldásában. A számítástechnikai szakértők, például Pascal és olyan kutatók, mint Chen és Meng szakértelmének egyesítése révén olyan módszert fejlesztettek ki, amellyel az elpárolgott elektrolit cseppfolyósítható anélkül, hogy túl nagy nyomást alkalmaznának. A fent említett személyzet a San Diego-i Kaliforniai Egyetem Anyagkutatási Tudományos és Mérnöki Központjához (MRSEC) kapcsolódik.

Ez a módszer egy olyan fizikai jelenségből származik, amelyben a gázmolekulák spontán módon kondenzálódnak, amikor csapdába esnek apró nanoméretű terekben. Ezt a jelenséget kapilláris kondenzációnak nevezik, ami miatt a gáz alacsonyabb nyomáson folyékony lesz. A kutatócsoport alkalmazott ezt a jelenséget, hogy össze egy akkumulátor elválasztó, amely képes stabilizálni az elektrolit ultra-alacsony hőmérsékletű akkumulátorok, a cseppfolyósított gáz-elektrolit készült -fluor gáz. A kutatók porózus kristályos anyagot használtak, amelyet fémorganikus váznak (MOF) neveztek a membrán létrehozásához. Az egyedülálló dolog az, hogy tele van apró pórusokkal, amelyek képesek fluorometán gázmolekulákat csapdázni, és viszonylag alacsony nyomáson kondenzálhatják őket. Például a fluor-metán általában mínusz 30 °C-on zsugorodik, és ereje 118 psi; de ha MOF-ot használunk, akkor a porózus kondenzációs nyomása ugyanazon a hőmérsékleten csak 11 psi.

Chen azt mondta: "Ez a mof jelentősen csökkenti az elektrolit működéséhez szükséges nyomást. Ezért az akkumulátorunk nagy mennyiségű kapacitást biztosíthat alacsony hőmérsékleten a lebomlás nélkül." A kutatók egy MOF-alapú szeparátort teszteltek lítium-ion akkumulátorban. . A lítium-ion akkumulátor egy fluorkarbon katódból és egy lítium fém anódból áll. Meg lehet kitölteni egy gáznemű -fluor elektrolit belső nyomáson 70 psi, jóval alacsonyabb, mint az a nyomás szükséges cseppfolyósítására -fluor. Az akkumulátor mínusz 57°C-on is képes fenntartani szobahőmérsékletének 40%-át. Ezzel szemben, ugyanezen a hőmérsékleten és nyomáson, a teljesítmény a kereskedelmi membrános akkumulátor segítségével gáz-halmazállapotú elektrolitot tartalmazó -fluor szinte nulla.

A MOF szeparátoron alapuló mikropórusok a kulcsfontosságúak, mert ezek a mikropórusok több elektrolitot képesek megtartani az akkumulátorban még csökkentett nyomáson is. A kereskedelmi forgalomban kapható membrán nagy pórusokkal rendelkezik, és csökkentett nyomáson nem képes visszatartani a gáznemű elektrolit molekulákat. De nem a mikroporozitás az egyetlen oka annak, hogy a membrán jól működik ilyen körülmények között. A kutatók által tervezett membrán lehetővé teszi, hogy a pórusok folyamatos útvonalat képezzenek az egyik végétől a másikig, ezáltal biztosítva, hogy a lítiumionok szabadon áramolhassanak a membránon keresztül. A vizsgálat során az akkumulátor ionos vezetőképessége az új membránnal a mínusz 40 ° C-on található, tízszer az akkumulátornak a kereskedelmi membrán segítségével.

Chen csapata jelenleg MOF-alapú szeparátorokat tesztel más elektrolitokon. Chen elmondta: "Hasonló hatásokat tapasztaltunk. Ha ezt a MOF-et stabilizátorként használjuk, különböző elektrolitmolekulák adszorbeálhatók az akkumulátor biztonságának javítása érdekében, beleértve a hagyományos lítium akkumulátorokat illékony elektrolitokkal."