Інжынеры распрацавалі сепаратар, які стабілізуе газападобныя электраліты, каб зрабіць звышнізкатэмпературныя батарэі больш бяспечнымі

Паводле паведамленняў замежных СМІ, нанаінжынеры Каліфарнійскага ўніверсітэта ў Сан-Дыега распрацавалі сепаратар батарэі, які можа дзейнічаць як бар'ер паміж катодам і анодам, каб прадухіліць выпарэнне газападобнага электраліта ў батарэі. Новая дыяфрагма прадухіляе назапашванне ўнутранага ціску шторму, тым самым прадухіляючы набраканне і выбух батарэі.

Кіраўнік даследавання Чжэн Чэнь, прафесар нанаінжынерыі Інжынернай школы Джэйкабса Каліфарнійскага ўніверсітэта ў Сан-Дыега, сказаў: "Захопліваючы малекулы газу, мембрана можа дзейнічаць як стабілізатар для лятучых электралітаў".

Новы сепаратар можа палепшыць прадукцыйнасць батарэі пры звышнізкіх тэмпературах. Элемент батарэі, які выкарыстоўвае дыяфрагму, можа працаваць пры тэмпературы мінус 40°C, а ёмістасць можа дасягаць 500 міліампер-гадзін на грам, у той час як камерцыйная батарэя з дыяфрагмай у гэтым выпадку мае амаль нулявую магутнасць. Даследчыкі кажуць, што нават калі ён не выкарыстоўваецца на працягу двух месяцаў, ёмістасць акумулятарнага элемента застаецца высокай. Гэтая прадукцыйнасць паказвае, што дыяфрагма таксама можа падоўжыць тэрмін захоўвання. Гэта адкрыццё дазваляе даследчыкам дасягнуць сваёй мэты далей: вырабляць батарэі, якія могуць забяспечваць электрычнасцю транспартныя сродкі ў ледзяным асяроддзі, такія як касмічныя караблі, спадарожнікі і глыбакаводныя караблі.

Гэта даследаванне заснавана на даследаванні ў лабараторыі Ін Шырлі Мэн, прафесара нанаінжынерыі Каліфарнійскага ўніверсітэта ў Сан-Дыега. У гэтым даследаванні ўпершыню выкарыстоўваецца спецыяльны электраліт звадкаванага газу для распрацоўкі акумулятара, які можа падтрымліваць добрыя характарыстыкі пры тэмпературы да мінус 60°C. Сярод іх звадкаваны газавы электраліт - гэта газ, які звадкаваны пры дапамозе ціску і больш устойлівы да нізкіх тэмператур, чым традыцыйныя вадкія электраліты.

Але гэты від электраліта мае дэфект; лёгка перайсці з вадкасці на газ. Чэнь сказаў: "Гэта праблема з'яўляецца самай вялікай праблемай бяспекі для гэтага электраліта". Для выкарыстання электраліта неабходна павялічыць ціск, каб кандэнсаваць малекулы вадкасці і падтрымліваць электраліт у вадкім стане.

Для вырашэння гэтай праблемы лабараторыя Чэна супрацоўнічала з Мэн і Тодам Паскалем, прафесарам нанаінжынерыі Каліфарнійскага ўніверсітэта ў Сан-Дыега. Аб'яднаўшы веды экспертаў у галіне вылічальнай тэхнікі, такіх як Паскаль, з такімі даследчыкамі, як Чэнь і Мэн, быў распрацаваны метад звадкавання выпаранага электраліта без хуткага прымянення занадта моцнага ціску. Персанал, згаданы вышэй, звязаны з Навуковым і інжынерным цэнтрам па матэрыялах (MRSEC) Каліфарнійскага ўніверсітэта ў Сан-Дыега.

Гэты метад запазычаны з фізічнай з'явы, пры якой малекулы газу спантанна кандэнсуюцца, калі трапляюць у малюсенькія нанапамерныя прасторы. Гэта з'ява называецца капілярнай кандэнсацыяй, якая можа зрабіць газ вадкім пры больш нізкім ціску. Даследчая група выкарыстала гэтую з'яву для стварэння батарэйнага сепаратара, які можа стабілізаваць электраліт у звышнізкатэмпературных батарэях, звадкаваны газавы электраліт, выраблены з фторметану. Для стварэння мембраны даследчыкі выкарыстоўвалі кіпры крышталічны матэрыял, які называецца металаарганічны каркас (MOF). Унікальнасць MOF у тым, што яна поўная малюсенькіх пор, якія могуць захопліваць малекулы фторметану і кандэнсаваць іх пры адносна нізкім ціску. Напрыклад, фторметан звычайна сціскаецца пры мінус 30°C і мае сілу 118 фунтаў на квадратны дюйм; але калі выкарыстоўваецца MOF, ціск кандэнсацыі порыстых пры той жа тэмпературы складае ўсяго 11 psi.

Чэнь сказаў: "Гэты MOF значна зніжае ціск, неабходны для працы электраліта. Такім чынам, наша батарэя можа забяспечыць вялікую ёмістасць пры нізкіх тэмпературах без пагаршэння якасці". Даследчыкі пратэставалі сепаратар на аснове MOF у літый-іённай батарэі. . Літый-іённы акумулятар складаецца з фторуглеродного катода і металічнага літый-анода. Ён можа напоўніць яго газападобным фторметановым электралітам з унутраным ціскам 70 фунтаў на квадратны дюйм, значна ніжэйшым за ціск, неабходны для звадкавання фторметану. Акумулятар па-ранейшаму можа падтрымліваць 57% ёмістасці ад пакаёвай тэмпературы пры мінус 40°C. Наадварот, пры той жа тэмпературы і ціску магутнасць камерцыйнай мембраннай батарэі, якая выкарыстоўвае газападобны электраліт, які змяшчае фторметан, практычна роўная нулю.

Мікрапоры на аснове сепаратара MOF з'яўляюцца ключавымі, таму што гэтыя мікрапоры могуць падтрымліваць больш электралітаў у батарэі нават пры паніжаным ціску. Камерцыйная дыяфрагма мае вялікія пары і не можа ўтрымліваць малекулы газападобнага электраліта пры паніжаным ціску. Але мікрасітаватасць - не адзіная прычына, па якой дыяфрагма добра працуе ў гэтых умовах. Дыяфрагма, распрацаваная даследчыкамі, таксама дазваляе порам утвараць бесперапынны шлях ад аднаго канца да іншага, забяспечваючы тым самым, што іёны літыя могуць свабодна цячы праз дыяфрагму. У тэсце іённая праводнасць батарэі з выкарыстаннем новай дыяфрагмы пры мінус 40°C у дзесяць разоў перавышае праводнасць батарэі з камерцыйнай дыяфрагмай.

У цяперашні час каманда Чэна выпрабоўвае сепаратары на аснове MOF на іншых электралітах. Чэнь сказаў: "Мы бачылі падобныя эфекты. Выкарыстоўваючы гэты MOF у якасці стабілізатара, можна адсарбаваць розныя малекулы электраліта для павышэння бяспекі батарэй, у тым ліку традыцыйных літыевых батарэй з лятучымі электралітамі".