Jurutera telah membangunkan pemisah yang menstabilkan elektrolit gas untuk menjadikan bateri suhu ultra rendah lebih selamat

Menurut laporan media asing, jurutera nano di University of California San Diego telah membangunkan pemisah bateri yang boleh bertindak sebagai penghalang antara katod dan anod untuk menghalang elektrolit gas dalam bateri daripada mengewap. Diafragma baharu menghalang tekanan dalaman ribut daripada terkumpul, dengan itu menghalang bateri daripada membengkak dan meletup.

Ketua penyelidikan, Zheng Chen, profesor kejuruteraan nano di Sekolah Kejuruteraan Jacobs di Universiti California, San Diego, berkata: "Dengan memerangkap molekul gas, membran boleh bertindak sebagai penstabil untuk elektrolit yang tidak menentu."

Pemisah baharu boleh meningkatkan prestasi bateri pada suhu ultra-rendah. Sel bateri yang menggunakan diafragma boleh beroperasi pada tolak 40°C, dan kapasiti boleh setinggi 500 miliampere jam setiap gram, manakala bateri diafragma komersial mempunyai kuasa hampir sifar dalam kes ini. Penyelidik mengatakan bahawa walaupun ia tidak digunakan selama dua bulan, kapasiti sel bateri masih tinggi. Prestasi ini menunjukkan bahawa diafragma juga boleh memanjangkan hayat penyimpanan. Penemuan ini membolehkan penyelidik mencapai matlamat mereka lebih jauh: untuk menghasilkan bateri yang boleh membekalkan elektrik untuk kenderaan dalam persekitaran berais, seperti kapal angkasa, satelit dan kapal laut dalam.

Penyelidikan ini berdasarkan kajian di makmal Ying Shirley Meng, profesor kejuruteraan nano di Universiti California, San Diego. Penyelidikan ini menggunakan elektrolit gas cecair tertentu untuk membangunkan bateri yang boleh mengekalkan prestasi yang baik dalam persekitaran tolak 60°C buat kali pertama. Antaranya, elektrolit gas cecair ialah gas yang dicairkan dengan menggunakan tekanan dan lebih tahan pada suhu rendah berbanding elektrolit cecair tradisional.

Tetapi jenis elektrolit ini mempunyai kecacatan; ia mudah untuk menukar daripada cecair kepada gas. Chen berkata: "Masalah ini adalah isu keselamatan terbesar untuk elektrolit ini." Tekanan perlu ditingkatkan untuk memekatkan molekul cecair dan mengekalkan elektrolit dalam keadaan cecair untuk menggunakan elektrolit.

Makmal Chen bekerjasama dengan Meng dan Tod Pascal, profesor kejuruteraan nano di University of California, San Diego, untuk menyelesaikan masalah ini. Dengan menggabungkan kepakaran pakar pengkomputeran seperti Pascal dengan penyelidik seperti Chen dan Meng, satu kaedah telah dibangunkan untuk mencairkan elektrolit terwap tanpa menggunakan terlalu banyak tekanan dengan cepat. Kakitangan yang disebutkan di atas adalah bergabung dengan Pusat Sains dan Kejuruteraan Penyelidikan Bahan (MRSEC) Universiti California, San Diego.

Kaedah ini meminjam daripada fenomena fizikal di mana molekul gas terpeluwap secara spontan apabila terperangkap dalam ruang berskala nano yang kecil. Fenomena ini dipanggil pemeluwapan kapilari, yang boleh membuat gas menjadi cecair pada tekanan yang lebih rendah. Pasukan penyelidik menggunakan fenomena ini untuk membina pemisah bateri yang boleh menstabilkan elektrolit dalam bateri suhu ultra-rendah, elektrolit gas cecair yang diperbuat daripada gas fluorometana. Para penyelidik menggunakan bahan kristal berliang yang dipanggil rangka kerja logam-organik (MOF) untuk mencipta membran. Perkara unik tentang MOF ialah ia penuh dengan liang-liang kecil, yang boleh memerangkap molekul gas fluorometana dan memekatkannya pada tekanan yang agak rendah. Sebagai contoh, fluorometana biasanya mengecut pada tolak 30°C dan mempunyai daya 118 psi; tetapi jika MOF digunakan, tekanan pemeluwapan berliang pada suhu yang sama hanyalah 11 psi.

Chen berkata: "MOF ini dengan ketara mengurangkan tekanan yang diperlukan untuk elektrolit berfungsi. Oleh itu, bateri kami boleh menyediakan sejumlah besar kapasiti pada suhu rendah tanpa degradasi." Para penyelidik menguji pemisah berasaskan MOF dalam bateri lithium-ion. . Bateri litium-ion terdiri daripada katod fluorokarbon dan anod logam litium. Ia boleh mengisinya dengan elektrolit fluorometana gas pada tekanan dalaman 70 psi, jauh lebih rendah daripada tekanan yang diperlukan untuk mencairkan fluorometana. Bateri masih boleh mengekalkan 57% daripada kapasiti suhu biliknya pada tolak 40°C. Sebaliknya, pada suhu dan tekanan yang sama, kuasa bateri diafragma komersial menggunakan elektrolit gas yang mengandungi fluorometana adalah hampir sifar.

Mikropori berdasarkan pemisah MOF adalah kunci kerana mikropori ini boleh mengekalkan lebih banyak elektrolit mengalir dalam bateri walaupun di bawah tekanan yang dikurangkan. Diafragma komersial mempunyai liang yang besar dan tidak dapat mengekalkan molekul elektrolit gas di bawah tekanan yang dikurangkan. Tetapi mikroporositi bukanlah satu-satunya sebab diafragma berfungsi dengan baik di bawah keadaan ini. Diafragma yang direka oleh penyelidik juga membolehkan liang membentuk laluan berterusan dari satu hujung ke hujung yang lain, dengan itu memastikan ion litium boleh mengalir dengan bebas melalui diafragma. Dalam ujian, kekonduksian ionik bateri yang menggunakan diafragma baharu pada minus 40°C adalah sepuluh kali ganda berbanding bateri yang menggunakan diafragma komersial.

Pasukan Chen kini sedang menguji pemisah berasaskan MOF pada elektrolit lain. Chen berkata: "Kami telah melihat kesan yang sama. Dengan menggunakan MOF ini sebagai penstabil, pelbagai molekul elektrolit boleh diserap untuk meningkatkan keselamatan bateri, termasuk bateri litium tradisional dengan elektrolit meruap."