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Ingenieure haben einen Separator entwickelt, der gasförmige Elektrolyte stabilisiert, um Ultratieftemperaturbatterien sicherer zu machen

20 Oktober, 2021

By hoppt

Laut ausländischen Medienberichten haben Nano-Ingenieure der University of California in San Diego einen Batterieseparator entwickelt, der als Barriere zwischen Kathode und Anode fungieren kann, um zu verhindern, dass der gasförmige Elektrolyt in der Batterie verdampft. Die neue Membran verhindert, dass sich der Innendruck des Sturms staut und verhindert so ein Aufquellen und Explodieren der Batterie.

Der Forschungsleiter Zheng Chen, Professor für Nanoengineering an der Jacobs School of Engineering der University of California, San Diego, sagte: „Durch das Einfangen von Gasmolekülen kann die Membran als Stabilisator für flüchtige Elektrolyte wirken.“

Der neue Separator kann die Batterieleistung bei ultraniedrigen Temperaturen verbessern. Die Batteriezelle, die das Diaphragma verwendet, kann bei minus 40 °C betrieben werden, und die Kapazität kann bis zu 500 Milliamperestunden pro Gramm betragen, während die kommerzielle Diaphragmabatterie in diesem Fall fast keine Leistung hat. Forscher sagen, dass die Kapazität der Batteriezellen auch dann noch hoch ist, wenn sie zwei Monate lang nicht verwendet wird. Diese Leistung zeigt, dass das Diaphragma auch die Lagerfähigkeit verlängern kann. Diese Entdeckung ermöglicht es den Forschern, ihr Ziel weiter zu erreichen: Batterien herzustellen, die Fahrzeuge in eisigen Umgebungen wie Raumfahrzeuge, Satelliten und Tiefseeschiffe mit Strom versorgen können.

Diese Forschung basiert auf einer Studie im Labor von Ying Shirley Meng, Professorin für Nanoengineering an der University of California, San Diego. Diese Forschung verwendet einen bestimmten Flüssiggaselektrolyten, um eine Batterie zu entwickeln, die zum ersten Mal in einer Umgebung von minus 60 °C eine gute Leistung aufrechterhalten kann. Unter ihnen ist der Flüssiggaselektrolyt ein Gas, das durch Anwendung von Druck verflüssigt wird und widerstandsfähiger gegen niedrige Temperaturen ist als herkömmliche Flüssigelektrolyte.

Aber diese Art von Elektrolyt hat einen Defekt; Es ist einfach, von flüssig auf gasförmig umzustellen. Chen sagte: „Dieses Problem ist das größte Sicherheitsproblem für diesen Elektrolyten.“ Der Druck muss erhöht werden, um die flüssigen Moleküle zu kondensieren und den Elektrolyten in einem flüssigen Zustand zu halten, um den Elektrolyten zu verwenden.

Chens Labor arbeitete mit Meng und Tod Pascal, Professor für Nanotechnik an der University of California, San Diego, zusammen, um dieses Problem zu lösen. Durch die Kombination des Fachwissens von Computerexperten wie Pascal mit Forschern wie Chen und Meng wurde eine Methode entwickelt, um den verdampften Elektrolyten zu verflüssigen, ohne schnell zu viel Druck auszuüben. Die oben genannten Mitarbeiter sind mit dem Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC) der University of California, San Diego, verbunden.

Diese Methode lehnt sich an ein physikalisches Phänomen an, bei dem Gasmoleküle spontan kondensieren, wenn sie in winzigen Räumen im Nanomaßstab eingeschlossen sind. Dieses Phänomen wird als Kapillarkondensation bezeichnet, die das Gas bei einem niedrigeren Druck verflüssigen kann. Das Forschungsteam nutzte dieses Phänomen, um einen Batterieseparator zu konstruieren, der den Elektrolyten in Ultratieftemperaturbatterien, einem Flüssiggaselektrolyten aus Fluormethangas, stabilisieren kann. Die Forscher verwendeten ein poröses kristallines Material, das als metallorganisches Gerüst (MOF) bezeichnet wird, um die Membran herzustellen. Das Einzigartige an MOF ist, dass es voller winziger Poren ist, die Fluormethan-Gasmoleküle einfangen und bei relativ niedrigem Druck kondensieren können. Beispielsweise schrumpft Fluormethan normalerweise bei minus 30 °C und hat eine Kraft von 118 psi; aber wenn MOF verwendet wird, beträgt der Kondensationsdruck von porös bei der gleichen Temperatur nur 11 psi.

Chen sagte: „Dieses MOF reduziert den Druck, der für die Arbeit des Elektrolyten erforderlich ist, erheblich. Daher kann unsere Batterie bei niedrigen Temperaturen ohne Beeinträchtigung eine große Kapazität bereitstellen.“ Die Forscher testeten einen MOF-basierten Separator in einer Lithium-Ionen-Batterie. . Die Lithium-Ionen-Batterie besteht aus einer Fluorkohlenstoff-Kathode und einer Lithium-Metall-Anode. Es kann es mit einem gasförmigen Fluormethan-Elektrolyten bei einem Innendruck von 70 psi füllen, was weit unter dem Druck liegt, der zum Verflüssigen von Fluormethan erforderlich ist. Bei minus 57 °C kann die Batterie noch 40 % ihrer Kapazität bei Raumtemperatur aufrechterhalten. Im Gegensatz dazu ist bei gleicher Temperatur und gleichem Druck die Leistung einer handelsüblichen Diaphragmabatterie mit einem gasförmigen Elektrolyten, der Fluormethan enthält, nahezu null.

Die Mikroporen auf Basis des MOF-Separators sind der Schlüssel, denn diese Mikroporen können auch bei reduziertem Druck mehr Elektrolyte in der Batterie fließen lassen. Das kommerzielle Diaphragma hat große Poren und kann gasförmige Elektrolytmoleküle unter reduziertem Druck nicht zurückhalten. Aber Mikroporosität ist nicht der einzige Grund, warum das Diaphragma unter diesen Bedingungen gut funktioniert. Die von den Forschern entworfene Membran ermöglicht es den Poren auch, einen kontinuierlichen Weg von einem Ende zum anderen zu bilden, wodurch sichergestellt wird, dass Lithium-Ionen frei durch die Membran fließen können. Im Test war die Ionenleitfähigkeit der Batterie mit dem neuen Diaphragma bei minus 40°C zehnmal so hoch wie die der Batterie mit dem handelsüblichen Diaphragma.

Chens Team testet derzeit MOF-basierte Separatoren an anderen Elektrolyten. Chen sagte: „Wir haben ähnliche Effekte beobachtet. Durch die Verwendung dieses MOF als Stabilisator können verschiedene Elektrolytmoleküle adsorbiert werden, um die Batteriesicherheit zu verbessern, einschließlich herkömmlicher Lithiumbatterien mit flüchtigen Elektrolyten.“

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