Αρχική / Μπλοκ / Οι μηχανικοί έχουν αναπτύξει έναν διαχωριστή που σταθεροποιεί τους αέριους ηλεκτρολύτες για να κάνει ασφαλέστερες τις μπαταρίες εξαιρετικά χαμηλής θερμοκρασίας

Οι μηχανικοί έχουν αναπτύξει έναν διαχωριστή που σταθεροποιεί τους αέριους ηλεκτρολύτες για να κάνει ασφαλέστερες τις μπαταρίες εξαιρετικά χαμηλής θερμοκρασίας

20 Οκτ, 2021

By hoppt

Σύμφωνα με αναφορές ξένων μέσων ενημέρωσης, νανομηχανικοί στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Σαν Ντιέγκο ανέπτυξαν έναν διαχωριστή μπαταρίας που μπορεί να λειτουργήσει ως φράγμα μεταξύ της καθόδου και της ανόδου για να αποτρέψει την εξάτμιση του αέριου ηλεκτρολύτη στην μπαταρία. Το νέο διάφραγμα εμποδίζει τη συσσώρευση της εσωτερικής πίεσης της καταιγίδας, αποτρέποντας έτσι τη διόγκωση και την έκρηξη της μπαταρίας.

Ο επικεφαλής της έρευνας, Zheng Chen, καθηγητής νανομηχανικής στο Jacobs School of Engineering στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, στο Σαν Ντιέγκο, είπε: «Παγιδεύοντας μόρια αερίου, η μεμβράνη μπορεί να λειτουργήσει ως σταθεροποιητής για τους πτητικούς ηλεκτρολύτες».

Ο νέος διαχωριστής μπορεί να βελτιώσει την απόδοση της μπαταρίας σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες. Η κυψέλη μπαταρίας που χρησιμοποιεί το διάφραγμα μπορεί να λειτουργήσει στους μείον 40°C και η χωρητικότητα μπορεί να φτάσει τις 500 milliampere ώρες ανά γραμμάριο, ενώ η εμπορική μπαταρία διαφράγματος έχει σχεδόν μηδενική ισχύ σε αυτήν την περίπτωση. Οι ερευνητές λένε ότι ακόμη και αν μείνει αχρησιμοποίητο για δύο μήνες, η χωρητικότητα της μπαταρίας εξακολουθεί να είναι υψηλή. Αυτή η απόδοση δείχνει ότι το διάφραγμα μπορεί επίσης να παρατείνει τη διάρκεια αποθήκευσης. Αυτή η ανακάλυψη επιτρέπει στους ερευνητές να επιτύχουν περαιτέρω τον στόχο τους: να παράγουν μπαταρίες που μπορούν να παρέχουν ηλεκτρική ενέργεια σε οχήματα σε παγωμένα περιβάλλοντα, όπως διαστημόπλοια, δορυφόρους και πλοία βαθέων υδάτων.

Αυτή η έρευνα βασίζεται σε μια μελέτη στο εργαστήριο της Ying Shirley Meng, καθηγήτριας νανομηχανικής στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Σαν Ντιέγκο. Αυτή η έρευνα χρησιμοποιεί έναν συγκεκριμένο ηλεκτρολύτη υγροποιημένου αερίου για την ανάπτυξη μιας μπαταρίας που μπορεί να διατηρήσει καλή απόδοση σε περιβάλλον μείον 60°C για πρώτη φορά. Μεταξύ αυτών, ο ηλεκτρολύτης υγροποιημένου αερίου είναι ένα αέριο που υγροποιείται με την εφαρμογή πίεσης και είναι πιο ανθεκτικό σε χαμηλές θερμοκρασίες από τους παραδοσιακούς υγρούς ηλεκτρολύτες.

Αλλά αυτού του είδους ο ηλεκτρολύτης έχει ένα ελάττωμα. είναι εύκολο να αλλάξει από υγρό σε αέριο. Ο Chen είπε: "Αυτό το πρόβλημα είναι το μεγαλύτερο ζήτημα ασφάλειας για αυτόν τον ηλεκτρολύτη." Η πίεση πρέπει να αυξηθεί για να συμπυκνωθούν τα μόρια του υγρού και να διατηρηθεί ο ηλεκτρολύτης σε υγρή κατάσταση για να χρησιμοποιηθεί ο ηλεκτρολύτης.

Το εργαστήριο του Chen συνεργάστηκε με τον Meng και τον Tod Pascal, καθηγητή νανομηχανικής στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Σαν Ντιέγκο, για να λύσουν αυτό το πρόβλημα. Συνδυάζοντας την τεχνογνωσία ειδικών στους υπολογιστές όπως ο Pascal με ερευνητές όπως ο Chen και ο Meng, αναπτύχθηκε μια μέθοδος για την υγροποίηση του εξατμισμένου ηλεκτρολύτη χωρίς να ασκείται υπερβολική πίεση γρήγορα. Το προσωπικό που αναφέρεται παραπάνω είναι συνδεδεμένο με το Κέντρο Επιστήμης και Μηχανικής Έρευνας Υλικών (MRSEC) του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια στο Σαν Ντιέγκο.

Αυτή η μέθοδος δανείζεται από ένα φυσικό φαινόμενο στο οποίο τα μόρια αερίου συμπυκνώνονται αυθόρμητα όταν παγιδεύονται σε μικροσκοπικούς χώρους νανοκλίμακας. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται τριχοειδής συμπύκνωση, η οποία μπορεί να κάνει το αέριο να γίνει υγρό σε χαμηλότερη πίεση. Η ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε αυτό το φαινόμενο για να κατασκευάσει έναν διαχωριστή μπαταριών που μπορεί να σταθεροποιήσει τον ηλεκτρολύτη σε μπαταρίες εξαιρετικά χαμηλής θερμοκρασίας, έναν ηλεκτρολύτη υγροποιημένου αερίου από αέριο φθορομεθάνιο. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ένα πορώδες κρυσταλλικό υλικό που ονομάζεται μεταλλικό-οργανικό πλαίσιο (MOF) για να δημιουργήσουν τη μεμβράνη. Το μοναδικό με το MOF είναι ότι είναι γεμάτο από μικροσκοπικούς πόρους, οι οποίοι μπορούν να παγιδεύσουν μόρια αερίου φθορομεθανίου και να τα συμπυκνώσουν σε σχετικά χαμηλή πίεση. Για παράδειγμα, το φθορομεθάνιο συνήθως συρρικνώνεται στους μείον 30°C και έχει δύναμη 118 psi. αλλά εάν χρησιμοποιείται MOF, η πίεση συμπύκνωσης του πορώδους στην ίδια θερμοκρασία είναι μόνο 11 psi.

Ο Chen είπε: "Αυτό το MOF μειώνει σημαντικά την πίεση που απαιτείται για να λειτουργήσει ο ηλεκτρολύτης. Επομένως, η μπαταρία μας μπορεί να παρέχει μεγάλη χωρητικότητα σε χαμηλές θερμοκρασίες χωρίς υποβάθμιση." Οι ερευνητές δοκίμασαν έναν διαχωριστή με βάση το MOF σε μια μπαταρία ιόντων λιθίου. . Η μπαταρία ιόντων λιθίου αποτελείται από μια κάθοδο φθοράνθρακα και μια άνοδο μετάλλου λιθίου. Μπορεί να το γεμίσει με έναν αέριο ηλεκτρολύτη φθορομεθανίου σε εσωτερική πίεση 70 psi, πολύ χαμηλότερη από την πίεση που απαιτείται για την υγροποίηση του φθορομεθανίου. Η μπαταρία μπορεί ακόμα να διατηρήσει το 57% της χωρητικότητας σε θερμοκρασία δωματίου στους μείον 40°C. Αντίθετα, στην ίδια θερμοκρασία και πίεση, η ισχύς μιας εμπορικής μπαταρίας διαφράγματος που χρησιμοποιεί έναν αέριο ηλεκτρολύτη που περιέχει φθορομεθάνιο είναι σχεδόν μηδενική.

Οι μικροπόροι που βασίζονται στον διαχωριστή MOF είναι το κλειδί γιατί αυτοί οι μικροπόροι μπορούν να διατηρήσουν περισσότερους ηλεκτρολύτες να ρέουν στην μπαταρία ακόμη και υπό μειωμένη πίεση. Το διάφραγμα του εμπορίου έχει μεγάλους πόρους και δεν μπορεί να συγκρατήσει αέρια μόρια ηλεκτρολύτη υπό μειωμένη πίεση. Αλλά το μικροπορώδες δεν είναι ο μόνος λόγος που το διάφραγμα λειτουργεί καλά κάτω από αυτές τις συνθήκες. Το διάφραγμα που σχεδιάστηκε από τους ερευνητές επιτρέπει επίσης στους πόρους να σχηματίσουν μια συνεχή διαδρομή από το ένα άκρο στο άλλο, διασφαλίζοντας έτσι ότι τα ιόντα λιθίου μπορούν να ρέουν ελεύθερα μέσα από το διάφραγμα. Στη δοκιμή, η ιοντική αγωγιμότητα της μπαταρίας που χρησιμοποιεί το νέο διάφραγμα στους μείον 40°C είναι δέκα φορές μεγαλύτερη από εκείνη της μπαταρίας που χρησιμοποιεί το διάφραγμα του εμπορίου.

Η ομάδα του Chen δοκιμάζει επί του παρόντος διαχωριστές που βασίζονται σε MOF σε άλλους ηλεκτρολύτες. Ο Chen είπε: "Έχουμε δει παρόμοια αποτελέσματα. Χρησιμοποιώντας αυτό το MOF ως σταθεροποιητή, διάφορα μόρια ηλεκτρολυτών μπορούν να προσροφηθούν για τη βελτίωση της ασφάλειας των μπαταριών, συμπεριλαμβανομένων των παραδοσιακών μπαταριών λιθίου με πτητικούς ηλεκτρολύτες."

κοντά_λευκό
κοντά

Γράψτε το ερώτημα εδώ

απαντήστε εντός 6 ωρών, οποιεσδήποτε ερωτήσεις είναι ευπρόσδεκτες!