Новая технология может значительно повысить безопасность литий-ионных аккумуляторов, работающих с газовыми электролитами при сверхнизких температурах. Наноинженеры из Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали сепаратор — часть батареи, которая служит барьером между анодом и катодом, — который предотвращает испарение газовых электролитов в этих батареях. Этот новый сепаратор, в свою очередь, может помочь предотвратить повышение давления внутри батареи, которое приводит к вздутию и взрывам.

«Улавливая молекулы газа, этот сепаратор может действовать как стабилизатор летучих электролитов», — сказал Чжэн Чен, профессор наноинженерии из инженерной школы Калифорнийского университета в Сан-Диего Джейкобс, руководивший исследованием.

Новый сепаратор также повысил производительность аккумулятора при сверхнизких температурах. Батарейные элементы, построенные с новым сепаратором, работали с высокой емкостью 500 миллиампер-часов на грамм при -40 C, тогда как батареи, построенные с коммерческим сепаратором, почти не имели емкости. По словам исследователей, элементы батареи по-прежнему демонстрируют высокую емкость даже после простоя в течение двух месяцев — многообещающий признак того, что новый сепаратор также может продлить срок хранения.

Команда опубликовала свои выводы 7 июня в Nature Communications .

Это достижение приближает исследователей к созданию литий-ионных батарей, которые могут приводить в действие транспортные средства в условиях сильного холода, такие как космические корабли, спутники и глубоководные суда.

Эта работа основана на предыдущем исследовании, опубликованном в журнале Science лабораторией профессора наноинженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего Ин Ширли Мэн, которая первой сообщила о разработке литий-ионных батарей, которые хорошо работают при температурах до -60 C. Эти батареи особенно морозоустойчивы, так как в них используется особый тип электролита, называемый сжиженным газовым электролитом, который представляет собой газ, который сжижается под действием давления. Он гораздо более устойчив к замерзанию, чем обычный жидкий электролит.

Но есть обратная сторона. Электролиты из сжиженного газа имеют высокую тенденцию переходить из жидкости в газ. «Это самая большая проблема безопасности этих электролитов», — сказал Чен. Чтобы использовать их, необходимо приложить большое давление, чтобы сконденсировать молекулы газа и сохранить электролит в жидкой форме.

Чтобы решить эту проблему, лаборатория Чена объединилась с Менгом и профессором наноинженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего Тодом Паскалем, чтобы разработать способ легкого сжижения этих газообразных электролитов без приложения такого большого давления. Прогресс стал возможным благодаря объединению опыта экспертов в области вычислений, таких как Паскаль, с экспериментаторами, такими как Чен и Мэн, которые все являются сотрудниками Научно-технического центра Калифорнийского университета в Сан-Диего (MRSEC).

В их подходе используется физическое явление, при котором молекулы газа спонтанно конденсируются, когда оказываются в крошечных пространствах нанометрового размера. Это явление, известное как капиллярная конденсация, позволяет газу становиться жидкостью при гораздо более низком давлении.

Команда использовала это явление для создания сепаратора батарей, который стабилизировал бы электролит в их батарее со сверхнизкой температурой — сжиженный газовый электролит, сделанный из газообразного фторметана. Исследователи построили сепаратор из пористого кристаллического материала, называемого металлоорганическим каркасом (MOF). Что особенного в MOF, так это то, что он заполнен крошечными порами, которые могут захватывать молекулы газообразного фторметана и конденсировать их при относительно низких давлениях. Например, фторметан обычно конденсируется под давлением 118 фунтов на квадратный дюйм при -30 C; но с MOF он конденсируется всего под давлением 11 фунтов на квадратный дюйм при той же температуре.

«Этот MOF значительно снижает давление, необходимое для работы электролита», — сказал Чен. «В результате наши аккумуляторные элементы обеспечивают значительную емкость при низких температурах и не деформируются».

Исследователи протестировали сепаратор на основе MOF в литий-ионных аккумуляторных элементах, построенных с катодом из фторуглерода и анодом из металлического лития, заполненным фторметановым газовым электролитом под внутренним давлением 70 фунтов на квадратный дюйм, что намного ниже давления, необходимого для разжижения. фторметан. Ячейки сохранили 57% своей емкости при комнатной температуре при -40 C. Напротив, ячейки с коммерческим сепаратором почти не показали емкости с газообразным электролитом фторметана при той же температуре и давлении.

Крошечные поры сепаратора на основе MOF являются ключевыми, потому что они удерживают больше электролита в батарее даже при пониженном давлении. С другой стороны, промышленный сепаратор имеет большие поры и не может удерживать молекулы газового электролита при пониженном давлении.

Но крошечные поры — не единственная причина, по которой сепаратор так хорошо работает в этих условиях. Исследователи спроектировали сепаратор таким образом, чтобы поры образовывали непрерывные пути от одного конца до другого. Это гарантирует, что ионы лития все еще могут свободно проходить через сепаратор. В ходе испытаний элементы батареи с новым сепаратором имели в 10 раз более высокую ионную проводимость при -40 C, чем элементы с серийным сепаратором.

Команда Чена сейчас тестирует сепаратор на основе MOF на других электролитах. «Мы наблюдаем аналогичные эффекты. Мы можем использовать этот MOF в качестве стабилизатора для адсорбции различных видов молекул электролита и повышения безопасности даже в традиционных литиевых батареях, которые также содержат летучие электролиты».