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稳定气体电解质可以使超低温电池更安全

17 人参与  2021年09月24日 08:32  分类 : 技术工程  评论

Stabilizing gassy electrolytes could make ultra-low temperature batteries safer以低得多的压力将气体电解质冷凝成液体的电池隔板的艺术渲染。这种新型电池通过保持更多的电解液和锂离子在电池中流动,提高了电池的安全性和极寒性能。信用:陈集团一项新技术可以显著提高在超低温下使用气体电解质的锂离子电池的安全性。加州大学圣地亚哥分校的纳米工程师开发了一种隔膜——电池的一部分,用作阳极和阴极之间的屏障——防止这些电池中的气体电解质蒸发。这种新的分离器反过来有助于防止电池内部压力的累积导致膨胀和爆炸。领导这项研究的加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院纳米工程教授陈政说:“通过捕获气体分子,这种分离器可以作为挥发性电解质的稳定剂。

这种新型隔膜还提高了电池在超低温下的性能。用新隔板制造的电池在-40℃下以每克500毫安时的高容量运行,而用商用隔板制造的电池几乎没有容量。研究人员说,即使在闲置两个月后,电池仍然显示出高容量——这是一个有希望的迹象,表明新的隔膜也可以延长保质期。

该团队于6月7日在《自然通讯》上发表了他们的发现。

这一进展使研究人员离制造能在极寒条件下为航天器、卫星和深海船只等交通工具提供动力的锂离子电池又近了一步。

这项工作建立在加州大学圣地亚哥分校纳米工程教授应雪莉·孟的实验室先前发表在《科学》杂志上的一项研究基础上,该研究首次报道了在低至-60℃的温度下性能良好的锂离子电池的发展。这些电池特别耐寒的原因是它们使用了一种特殊类型的电解质,称为液化气体电解质,这是一种通过施加压力而液化的气体。它比传统的液体电解质更抗冻。

但也有不利的一面。液化气电解质很容易从液体变成气体。“这是这些电池最大的安全问题,”陈说。为了使用它们,必须施加大量的压力来冷凝气体分子,并保持电解质处于液态。

为了解决这个问题,陈的实验室与孟和加州大学圣地亚哥分校纳米工程教授Tod Pascal合作,开发了一种不用施加太大压力就能轻松液化这些气体电解质的方法。这一进展是通过将帕斯卡等计算专家的专业知识与陈和孟等实验主义者的专业知识相结合而实现的,他们都是加州大学圣地亚哥材料研究科学与工程中心()的成员。

他们的方法利用了一种物理现象,在这种现象中,气体分子被捕获在微小的纳米大小的空间中时会自发凝结。这种现象被称为毛细凝聚,它能使气体在低得多的压力下变成液体。

该团队利用这一现象制造了一种电池隔板,可以稳定他们超低温电池中的电解质——一种由氟甲烷气体制成的液化气体电解质。研究人员用一种叫做金属有机框架(MOF)的多孔晶体材料制造了隔板。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其冷凝。例如,氟甲烷通常在-30℃118磅/平方英寸的压力下冷凝;但是有了MOF,在同样的温度下,它的冷凝压力只有11 psi。

“这种MOF显著降低了电解质工作所需的压力,”陈说。“因此,我们的电池在低温下提供了大量的容量,并且没有退化。”

研究人员在70磅/平方英寸的内部压力下测试了锂离子电池中基于MOF的隔膜,该隔膜由氟化碳阴极和锂金属阳极组成,填充有氟甲烷气体电解质,该压力远低于液化氟甲烷所需的压力。在-40℃下,电池保持了57%的室温容量。相比之下,在相同的温度和压力下,具有商用隔板的电池几乎没有氟甲烷气体电解质的容量。

基于MOF的隔板的小孔是关键,因为它们保持更多的电解质在电池中流动,即使在减压下。另一方面,商用隔膜具有大的孔,并且在减压下不能保留气体电解质分子。

但是微小的孔隙并不是分离器在这些条件下工作良好的唯一原因。研究人员设计了这种分离器,使得孔从一端到另一端形成连续的路径。这确保锂离子仍然可以自由流过隔板。在测试中,使用新隔膜的电池在-40℃下的离子电导率比使用商用隔膜的电池高10倍。

陈的团队现在正在其他电解质上测试MOF基隔膜。“我们看到了类似的效果。我们可以用这种MOF作为稳定剂,吸附各种电解质分子,提高安全性,即使在传统锂电池中,也有挥发性电解质。”

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