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工程師開發(fā)出可穩(wěn)定氣態(tài)電解質(zhì)的隔膜 使超低溫電池更安全
時(shí)間:2021-06-10 08:45來源:蓋世汽車 作者:劉麗婷
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（圖片來源：加州大學(xué)圣地亞哥分校）
據(jù)外媒報(bào)道，加州大學(xué)圣地亞哥分校（University of California San Diego）的納米工程師開發(fā)出一種電池隔膜，可作為陰極和陽極間的屏障，防止電池中的氣態(tài)電解質(zhì)氣化。該全新隔膜可防止電池內(nèi)部壓力積聚，進(jìn)而避免電池膨脹和爆炸。
該研究的領(lǐng)導(dǎo)者、加州大學(xué)圣地亞哥分校雅各布斯工程學(xué)院（Jacobs School of Engineering）納米工程教授Zheng Chen表示：“通過捕獲氣體分子，該隔膜可以作為揮發(fā)性電解質(zhì)的穩(wěn)定劑。”
該全新隔膜可提高超低溫下的電池性能。采用該隔膜的電池電芯可在零下40℃溫度下運(yùn)行，且容量可高達(dá)每克500毫安小時(shí)，而采用商用隔膜的電池在該情況下容量幾乎為零。研究人員稱，即使閑置兩個(gè)月，電池電芯容量仍然較高。這種性能表明該隔膜還可以延長貯藏壽命。該發(fā)現(xiàn)可使研究人員進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，即生產(chǎn)出可在極冷環(huán)境下為車輛提供電力的電池，具體使用環(huán)境如航天器、衛(wèi)星和深海船只。
此項(xiàng)研究基于加州大學(xué)圣地亞哥分校納米工程教授Ying Shirley Meng實(shí)驗(yàn)室的一項(xiàng)研究。該研究采用特殊的液化氣電解質(zhì)，首次開發(fā)出可在零下60℃環(huán)境中保持良好性能的電池。其中，液化氣電解質(zhì)是一種通過施加壓力液化的氣體，比傳統(tǒng)液體電解質(zhì)更耐低溫。
但這種電解質(zhì)存在缺陷，即很容易從液體變?yōu)闅怏w。Chen表示：“該問題是這種電解質(zhì)最大的安全問題。”為使用該電解質(zhì)，需加大壓力，從而冷凝液體分子并使電解質(zhì)保持液態(tài)。
為解決該問題，Chen的實(shí)驗(yàn)室與Meng和加州大學(xué)圣地亞哥分校納米工程教授 Tod Pascal合作。通過將Pascal等計(jì)算專家的專業(yè)知識(shí)與Chen和Meng等研究人員的專業(yè)知識(shí)相結(jié)合，開發(fā)出一種無需施加太大壓力即可輕松液化該氣化電解質(zhì)的方法。其中，上述人員均隸屬于加州大學(xué)圣地亞哥分校材料研究科學(xué)與工程中心（MRSEC）。
該方法借鑒了一種物理現(xiàn)象，即氣體分子被困在微小納米級空間時(shí)自發(fā)地凝結(jié)。 這種現(xiàn)象稱為毛細(xì)管冷凝，可使氣體在較低壓力下變成液體。研究團(tuán)隊(duì)利用此現(xiàn)象構(gòu)建出一種電池隔膜，可穩(wěn)定超低溫電池中的電解質(zhì)，一種由氟甲烷氣體制成的液化氣電解質(zhì)。研究人員采用一種被稱為金屬有機(jī)框架（MOF）的多孔結(jié)晶材料打造出該隔膜。MOF的特別之處在于它充滿了微小的孔隙，能夠捕獲氟甲烷氣體分子并在相對較低的壓力下將分子冷凝。例如，氟甲烷通常在零下30℃和118 psi的壓力下冷凝；但是若使用MOF，porous在相同溫度下的冷凝壓力僅需11 psi。
Chen表示：“這種MOF顯著降低了電解質(zhì)工作所需的壓力。因此，我們的電池在低溫下可提供大量容量，并且不會(huì)出現(xiàn)退化。”研究人員在鋰離子電池中測試了基于MOF的隔膜。該鋰離子電池由碳氟化物陰極和鋰金屬陽極組成，并可在70 psi的內(nèi)部壓力下填充氟甲烷氣態(tài)電解質(zhì)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于液化氟甲烷所需的壓力。電池在零下40℃下仍可保持其室溫容量的57%。相比之下，在相同溫度和壓力下，使用含氟甲烷氣態(tài)電解質(zhì)的商用隔膜電池的容量幾乎為零。
基于MOF隔膜的微孔是關(guān)鍵，因?yàn)檫@些微孔即使在減壓情況下也能保持較多的電解液在電池中流動(dòng)。而商用隔膜孔隙較大，在減壓情況下無法保留氣態(tài)電解質(zhì)分子。但微孔并不是隔膜在這些條件下運(yùn)行良好的唯一原因。研究人員設(shè)計(jì)的隔膜還可使孔隙形成從一端到另一端的連續(xù)路徑，從而確保鋰離子可以自由地流過隔膜。 在測試中，采用新型隔膜的電池在零下40℃時(shí)的離子電導(dǎo)率是采用商用隔膜的電池的10倍。
Chen的團(tuán)隊(duì)目前還在其他電解質(zhì)上測試基于MOF的隔膜。Chen表示：“我們看到了類似的效果。通過使用這種MOF作為穩(wěn)定劑，可以吸附各種電解質(zhì)分子，進(jìn)而提高電池安全性，包括具有揮發(fā)性電解質(zhì)的傳統(tǒng)鋰電池。”
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