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稳定气体电解质可以使超低温电池更安全

2021-06-10 Tech Xplore

在较低压力下将气体电解质冷凝成液体的电池隔膜的艺术渲染图。新的隔膜通过保持更多的电解质和锂离子在电池中流动,提高了电池在极冷条件下的安全性和性能。

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。新隔板还提高了电池在超低温下的性能。使用新隔膜构建的电池在 -40 C 下以每克 500 毫安小时的高容量运行,而使用商用隔膜构建的电池几乎没有容量。研究人员表示,即使在闲置两个月后,电池仍表现出很高的容量,这是一个有希望的迹象,表明新的隔板还可以延长保质期。该团队于 6 7 日在Nature Communications 上发表了他们的最新发现。

这项进展使研究人员离制造能在极冷环境下为航天器、卫星和深海船只等车辆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 Ying Shirley Meng实验室之前在《科学》杂志上发表的一项研究的基础上,该研究首次报告了在低至 -60 C 的温度下性能良好的锂离子电池的开发。这些电池特别耐寒之处在于它们使用一种称为液化气电解质的特殊类型的电解质,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耐冷冻。

但有一个缺点。液化气电解质很容易从液体变成气体。这是这些电解质最大的安全问题,为了使用它们,必须施加很大的压力来冷凝气体分子并使电解质保持液态。为了解决这个问题,研究团队合作开发了一种无需施加太大压力即可轻松液化这些含气电解质的方法。这一进展是通过将计算专家的专业知识与实验家的专业知识相结合而实现的,他们都是加州大学圣地亚哥分校材料研究科学与工程中心 (MRSEC) 的一部分。

研究方法利用了一种物理现象,即气体分子被困在纳米级的微小空间时会自发地凝结。这种现象称为毛细管冷凝,可使气体在低得多的压力下变成液体。该团队利用这一现象构建了一种电池隔膜,可以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)。研究人员用一种称为金属有机框架 (MOF) 的多孔结晶材料制造了隔板。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它们冷凝。例如,氟甲烷通常在 -30°C 118 psi 的压力下冷凝;但是使用 MOF,它在相同温度下的冷凝压力仅为 11 psi。这种 MOF 显着降低了使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(由碳氟化物阴极和锂金属阳极构成)在 70 psi 的内部压力下填充了氟甲烷气体电解质,这远低于液化氟甲烷所需的压力。这些电池在 -40 C 时仍保持其室温容量的 57%。相比之下,在相同温度和压力下,使用含氟甲烷气体电解质的商用隔膜电池几乎没有容量。基于 MOF 的隔膜的微孔是关键,因为它们即使在减压下也能保持更多的电解液在电池中流动。另一方面,商用隔板具有大孔并且不能在减压下保留气体电解质分子。

但微小的孔隙并不是分离器在这些条件下运行良好的唯一原因。研究人员设计了分离器,使孔隙形成从一端到另一端的连续路径。这确保了锂离子仍然可以自由地流过隔膜。在测试中,采用新型隔膜的电池在 -40℃时的离子电导率是采用商用隔膜的电池的 10 倍。研究团队现在正在其他电解质上测试基于 MOF 的隔膜,并看到了类似的效果。团队使用这种 MOF 作为稳定剂来吸附各种电解质分子并提高安全性,即使在传统的锂电池中也是如此,这些电池也具有挥发性电解质。


关键词: 气体电解质   锂离子   安全性