Inžinieriai sukūrė separatorių, kuris stabilizuoja dujinius elektrolitus, kad itin žemos temperatūros akumuliatoriai būtų saugesni

Remiantis užsienio žiniasklaidos pranešimais, Kalifornijos San Diego universiteto nano inžinieriai sukūrė baterijų separatorių, kuris gali veikti kaip barjeras tarp katodo ir anodo, neleidžiantis išgaruoti akumuliatoriuje esančiam dujiniam elektrolitui. Naujoji diafragma neleidžia kauptis vidiniam audros slėgiui, taip apsaugodama akumuliatorių nuo išsipūtimo ir sprogimo.

Tyrimo vadovas Zheng Chen, nanoinžinerijos profesorius Jacobso inžinerijos mokykloje Kalifornijos universitete San Diege, sakė: „Sulaikydama dujų molekules, membrana gali veikti kaip lakiųjų elektrolitų stabilizatorius“.

Naujasis separatorius gali pagerinti akumuliatoriaus veikimą esant itin žemai temperatūrai. Diafragmą naudojanti akumuliatoriaus elementas gali veikti esant minus 40°C temperatūrai, o talpa gali siekti 500 miliampervalandžių vienam gramui, o komercinės diafragmos akumuliatoriaus galia šiuo atveju yra beveik nulinė. Mokslininkai teigia, kad net jei jis nenaudojamas du mėnesius, baterijos elementų talpa vis tiek yra didelė. Šis veikimas rodo, kad diafragma taip pat gali pratęsti saugojimo laiką. Šis atradimas leidžia tyrėjams toliau siekti savo tikslo: gaminti baterijas, kurios galėtų aprūpinti elektrą transporto priemonėms ledinėje aplinkoje, pavyzdžiui, erdvėlaiviams, palydovams ir giliavandeniams laivams.

Šis tyrimas pagrįstas Ying Shirley Meng, Kalifornijos universiteto San Diego nanoinžinerijos profesoriaus, laboratorijoje atliktu tyrimu. Šiame tyrime naudojamas tam tikras suskystintųjų dujų elektrolitas, kad būtų sukurta baterija, kuri pirmą kartą gali išlaikyti gerą našumą esant minus 60 °C temperatūrai. Tarp jų suskystintųjų dujų elektrolitas yra dujos, kurios suskystėja veikiant slėgiui ir yra atsparesnės žemai temperatūrai nei tradiciniai skystieji elektrolitai.

Tačiau tokio tipo elektrolitas turi trūkumų; lengva pakeisti skystą į dujinį. Chenas sakė: „Ši problema yra didžiausia šio elektrolito saugos problema“. Norint naudoti elektrolitą, reikia padidinti slėgį, kad kondensuotųsi skysčio molekulės ir išliktų skystas elektrolitas.

Cheno laboratorija bendradarbiavo su Meng ir Tod Pascal, Kalifornijos universiteto San Diego nanoinžinerijos profesoriumi, kad išspręstų šią problemą. Sujungus skaičiavimo ekspertų, tokių kaip Pascal, ir mokslininkų, tokių kaip Chen ir Meng, patirtį, buvo sukurtas metodas, leidžiantis suskystinti išgaruotą elektrolitą greitai nenaudojant per didelio slėgio. Pirmiau minėti darbuotojai yra susiję su Kalifornijos universiteto San Diego Medžiagų tyrimų mokslo ir inžinerijos centru (MRSEC).

Šis metodas yra pasiskolintas iš fizinio reiškinio, kai dujų molekulės spontaniškai kondensuojasi, kai yra įstrigusios mažose nano masto erdvėse. Šis reiškinys vadinamas kapiliariniu kondensavimu, dėl kurio dujos gali tapti skystos esant mažesniam slėgiui. Mokslininkų grupė panaudojo šį reiškinį kurdama akumuliatoriaus separatorių, galintį stabilizuoti itin žemos temperatūros akumuliatorių elektrolitą – suskystintų dujų elektrolitą, pagamintą iš fluormetano dujų. Tyrėjai membranai sukurti panaudojo porėtą kristalinę medžiagą, vadinamą metalo-organiniu karkasu (MOF). Unikalus MOF dalykas yra tas, kad jis pilnas mažyčių porų, kurios gali sulaikyti fluormetano dujų molekules ir kondensuoti jas esant santykinai žemam slėgiui. Pavyzdžiui, fluormetanas paprastai susitraukia esant minus 30°C ir turi 118 psi jėgą; bet jei naudojamas MOF, akytos medžiagos kondensacijos slėgis toje pačioje temperatūroje yra tik 11 psi.

Chen sakė: "Šis MOF žymiai sumažina slėgį, reikalingą elektrolitui veikti. Todėl mūsų baterija gali užtikrinti didelę talpą žemoje temperatūroje be degradacijos." Tyrėjai išbandė MOF pagrindu pagamintą separatorių ličio jonų akumuliatoriuje. . Ličio jonų akumuliatorių sudaro fluoro anglies katodas ir ličio metalo anodas. Jis gali užpildyti jį dujiniu fluormetano elektrolitu, kurio vidinis slėgis yra 70 psi, daug mažesnis nei slėgis, reikalingas fluorometanui suskystinti. Akumuliatorius vis tiek gali išlaikyti 57% savo kambario temperatūros talpos esant minus 40°C. Priešingai, esant tokiai pačiai temperatūrai ir slėgiui, komercinio diafragmos akumuliatoriaus, naudojančio dujinį elektrolitą, kuriame yra fluormetano, galia yra beveik lygi nuliui.

Mikroporos, pagrįstos MOF separatoriumi, yra svarbiausia, nes šios mikroporos gali išlaikyti daugiau elektrolitų tekėjimo akumuliatoriuje net esant sumažintam slėgiui. Prekybinė diafragma turi dideles poras ir negali išlaikyti dujinių elektrolitų molekulių esant sumažintam slėgiui. Tačiau mikroporingumas nėra vienintelė priežastis, dėl kurios diafragma gerai veikia tokiomis sąlygomis. Mokslininkų sukurta diafragma taip pat leidžia poroms sudaryti nenutrūkstamą kelią nuo vieno galo iki kito, taip užtikrinant, kad ličio jonai galėtų laisvai tekėti per diafragmą. Bandymo metu akumuliatoriaus, naudojant naują diafragmą, jonų laidumas minus 40 °C temperatūroje yra dešimt kartų didesnis nei akumuliatoriaus, naudojant komercinę diafragmą.

Cheno komanda šiuo metu bando MOF pagrindu veikiančius separatorius ant kitų elektrolitų. Chenas sakė: "Matėme panašų poveikį. Naudojant šį MOF kaip stabilizatorių, galima adsorbuoti įvairias elektrolitų molekules, kad būtų pagerinta akumuliatoriaus sauga, įskaitant tradicines ličio baterijas su lakiaisiais elektrolitais."