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工程师开发出可稳定气态电解质的隔膜 使超低温电池更安全

2021-06-10 来源:盖世汽车

据外媒报道,加州大学圣地亚哥分校(University of California San Diego)的纳米工程师开发出一种电池隔膜,可作为阴极和阳极间的屏障,防止电池中的气态电解质气化。该全新隔膜可防止电池内部压力积聚,进而避免电池膨胀和爆炸。


该研究的领导者、加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院(Jacobs School of Engineering)纳米工程教授Zheng Chen表示:“通过捕获气体分子,该隔膜可以作为挥发性电解质的稳定剂。”


该全新隔膜可提高超低温下的电池性能。采用该隔膜的电池电芯可在零下40℃温度下运行,且容量可高达每克500毫安小时,而采用商用隔膜的电池在该情况下容量几乎为零。研究人员称,即使闲置两个月,电池电芯容量仍然较高。这种性能表明该隔膜还可以延长贮藏寿命。该发现可使研究人员进一步实现目标,即生产出可在极冷环境下为车辆提供电力的电池,具体使用环境如航天器、卫星和深海船只。


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(图片来源:加州大学圣地亚哥分校)


此项研究基于加州大学圣地亚哥分校纳米工程教授Ying Shirley Meng实验室的一项研究。该研究采用特殊的液化气电解质,首次开发出可在零下60℃环境中保持良好性能的电池。其中,液化气电解质是一种通过施加压力液化的气体,比传统液体电解质更耐低温。


但这种电解质存在缺陷,即很容易从液体变为气体。Chen表示:“该问题是这种电解质最大的安全问题。”为使用该电解质,需加大压力,从而冷凝液体分子并使电解质保持液态。


为解决该问题,Chen的实验室与Meng和加州大学圣地亚哥分校纳米工程教授 Tod Pascal合作。通过将Pascal等计算专家的专业知识与Chen和Meng等研究人员的专业知识相结合,开发出一种无需施加太大压力即可轻松液化该气化电解质的方法。其中,上述人员均隶属于加州大学圣地亚哥分校材料研究科学与工程中心(MRSEC)。


该方法借鉴了一种物理现象,即气体分子被困在微小纳米级空间时自发地凝结。 这种现象称为毛细管冷凝,可使气体在较低压力下变成液体。研究团队利用此现象构建出一种电池隔膜,可稳定超低温电池中的电解质,一种由氟甲烷气体制成的液化气电解质。研究人员采用一种被称为金属有机框架(MOF)的多孔结晶材料打造出该隔膜。MOF的特别之处在于它充满了微小的孔隙,能够捕获氟甲烷气体分子并在相对较低的压力下将分子冷凝。例如,氟甲烷通常在零下30℃和118 psi的压力下冷凝;但是若使用MOF,porous在相同温度下的冷凝压力仅需11 psi。


Chen表示:“这种MOF显著降低了电解质工作所需的压力。因此,我们的电池在低温下可提供大量容量,并且不会出现退化。”研究人员在锂离子电池中测试了基于MOF的隔膜。该锂离子电池由碳氟化物阴极和锂金属阳极组成,并可在70 psi的内部压力下填充氟甲烷气态电解质,远远低于液化氟甲烷所需的压力。电池在零下40℃下仍可保持其室温容量的57%。相比之下,在相同温度和压力下,使用含氟甲烷气态电解质的商用隔膜电池的容量几乎为零。


基于MOF隔膜的微孔是关键,因为这些微孔即使在减压情况下也能保持较多的电解液在电池中流动。而商用隔膜孔隙较大,在减压情况下无法保留气态电解质分子。但微孔并不是隔膜在这些条件下运行良好的唯一原因。研究人员设计的隔膜还可使孔隙形成从一端到另一端的连续路径,从而确保锂离子可以自由地流过隔膜。 在测试中,采用新型隔膜的电池在零下40℃时的离子电导率是采用商用隔膜的电池的10倍。


Chen的团队目前还在其他电解质上测试基于MOF的隔膜。Chen表示:“我们看到了类似的效果。通过使用这种MOF作为稳定剂,可以吸附各种电解质分子,进而提高电池安全性,包括具有挥发性电解质的传统锂电池。”


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