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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：加州大學圣地亞哥分校）
據(jù)外媒報道，加州大學圣地亞哥分校（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，進而避免電池膨脹和爆炸。
該研究的領(lǐng)導者、加州大學圣地亞哥分校雅各布斯工程學院（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℃溫度下運行，且容量可高達每克500毫安小時，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)可使研究人員進一步實現(xiàn)目標，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。
此項研究基于加州大學圣地亞哥分校納米工程教授Ying Shirley Meng實驗室的一項研究。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的實驗室與Meng和加州大學圣地亞哥分校納米工程教授 Tod Pascal合作。通過將Pascal等計算專家的專業(yè)知識與Chen和Meng等研究人員的專業(yè)知識相結(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圣地亞哥分校材料研究科學與工程中心（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自發(fā)地凝結(jié)。 這種現(xiàn)象稱為毛細管冷凝，可使氣體在較低壓力下變成液體。研究團隊利用此現(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)，遠遠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，因為這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。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行良好的唯一原因。研究人員設(shè)計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℃時的離子電導率是采用商用隔膜的電池的10倍。
Chen的團隊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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