مهندسان جداکننده ای ساخته اند که الکترولیت های گازی را تثبیت می کند تا باتری های با دمای بسیار پایین را ایمن تر کند.

بر اساس گزارش رسانه های خارجی، مهندسان نانو در دانشگاه کالیفرنیا سن دیگو یک جداکننده باتری ساخته اند که می تواند به عنوان یک مانع بین کاتد و آند عمل کند تا از تبخیر الکترولیت گازی موجود در باتری جلوگیری کند. دیافراگم جدید از تجمع فشار داخلی طوفان جلوگیری می کند و در نتیجه از متورم شدن و انفجار باتری جلوگیری می کند.

ژنگ چن، رهبر این پژوهش، استاد مهندسی نانو در دانشکده مهندسی جاکوبز در دانشگاه کالیفرنیا، سن دیگو، گفت: با به دام انداختن مولکول های گاز، غشاء می تواند به عنوان تثبیت کننده الکترولیت های فرار عمل کند.

جداکننده جدید می تواند عملکرد باتری را در دماهای بسیار پایین بهبود بخشد. سلول باتری با استفاده از دیافراگم می تواند در دمای منفی 40 درجه سانتیگراد کار کند و ظرفیت آن می تواند تا 500 میلی آمپر ساعت در هر گرم باشد، در حالی که باتری دیافراگمی تجاری تقریباً در این مورد قدرت صفر دارد. محققان می گویند حتی اگر به مدت دو ماه بدون استفاده بماند، ظرفیت سلول باتری همچنان بالاست. این عملکرد نشان می دهد که دیافراگم همچنین می تواند عمر ذخیره سازی را افزایش دهد. این کشف به محققان اجازه می دهد تا بیشتر به هدف خود برسند: تولید باتری هایی که می توانند برق وسایل نقلیه را در محیط های یخی مانند فضاپیماها، ماهواره ها و کشتی های اعماق دریا تامین کنند.

این تحقیق بر اساس مطالعه ای در آزمایشگاه یینگ شرلی منگ، استاد مهندسی نانو در دانشگاه کالیفرنیا، سن دیگو انجام شده است. این تحقیق از یک الکترولیت گاز مایع خاص برای تولید باتری استفاده می کند که برای اولین بار می تواند عملکرد خوبی را در یک محیط منفی 60 درجه سانتیگراد حفظ کند. در این میان، الکترولیت گاز مایع، گازی است که با اعمال فشار به مایع تبدیل می‌شود و نسبت به الکترولیت‌های مایع سنتی در برابر دماهای پایین مقاوم‌تر است.

اما این نوع الکترولیت یک نقص دارد. تبدیل آن از مایع به گاز آسان است. چن گفت: این مشکل بزرگترین مشکل ایمنی برای این الکترولیت است. برای متراکم شدن مولکول های مایع و نگه داشتن الکترولیت در حالت مایع برای استفاده از الکترولیت باید فشار را افزایش داد.

آزمایشگاه چن با منگ و تاد پاسکال، استاد مهندسی نانو در دانشگاه کالیفرنیا، سن دیگو، برای حل این مشکل همکاری کرد. با ترکیب تخصص متخصصان محاسباتی مانند پاسکال با محققانی مانند چن و منگ، روشی برای مایع کردن الکترولیت تبخیر شده بدون اعمال فشار زیاد سریع ایجاد شده است. پرسنل ذکر شده در بالا به مرکز علوم و مهندسی تحقیقات مواد (MRSEC) دانشگاه کالیفرنیا، سن دیگو وابسته هستند.

این روش از یک پدیده فیزیکی وام گرفته شده است که در آن مولکول های گاز هنگامی که در فضاهای کوچک در مقیاس نانو به دام می افتند، به طور خود به خود متراکم می شوند. این پدیده تراکم مویرگی نامیده می شود که می تواند گاز را با فشار کمتری به مایع تبدیل کند. تیم تحقیقاتی از این پدیده برای ساخت یک جداکننده باتری استفاده کرد که می تواند الکترولیت را در باتری های با دمای بسیار پایین تثبیت کند، یک الکترولیت گاز مایع ساخته شده از گاز فلورومتان. محققان از یک ماده کریستالی متخلخل به نام چارچوب فلزی-آلی (MOF) برای ایجاد غشاء استفاده کردند. نکته منحصر به فرد در مورد MOF این است که پر از منافذ ریز است که می تواند مولکول های گاز فلورومتان را به دام بیندازد و آنها را در فشار نسبتا کم متراکم کند. به عنوان مثال، فلورومتان معمولاً در دمای منفی 30 درجه سانتی گراد منقبض می شود و نیروی آن 118 psi است. اما اگر از MOF استفاده شود، فشار تراکم متخلخل در همان دما تنها 11 psi است.

چن گفت: "این MOF به طور قابل توجهی فشار مورد نیاز برای کار الکترولیت را کاهش می دهد. بنابراین باتری ما می تواند ظرفیت زیادی را در دماهای پایین بدون تخریب فراهم کند." محققان یک جداکننده مبتنی بر MOF را در یک باتری لیتیوم یونی آزمایش کردند. . باتری لیتیوم یونی از یک کاتد فلوئوروکربن و یک آند فلزی لیتیوم تشکیل شده است. می تواند آن را با یک الکترولیت گازی فلورومتان با فشار داخلی 70 psi پر کند که بسیار کمتر از فشار مورد نیاز برای مایع سازی فلورومتان است. باتری همچنان می تواند 57 درصد از ظرفیت دمای اتاق خود را در دمای منفی 40 درجه سانتی گراد حفظ کند. در مقابل، در دما و فشار یکسان، قدرت یک باتری دیافراگمی تجاری با استفاده از الکترولیت گازی حاوی فلورومتان تقریباً صفر است.

ریز منافذ مبتنی بر جداکننده MOF کلید هستند زیرا این ریز منافذ می توانند الکترولیت های بیشتری را در باتری حتی تحت فشار کاهش یافته حفظ کنند. دیافراگم تجاری دارای منافذ بزرگ است و نمی تواند مولکول های الکترولیت گازی را تحت فشار کاهش یافته نگه دارد. اما ریز تخلخل تنها دلیل عملکرد خوب دیافراگم در این شرایط نیست. دیافراگم طراحی شده توسط محققان همچنین به منافذ اجازه می دهد تا مسیری پیوسته از یک انتها به سر دیگر تشکیل دهند و در نتیجه اطمینان حاصل شود که یون های لیتیوم می توانند آزادانه در دیافراگم جریان داشته باشند. در آزمایش، هدایت یونی باتری با استفاده از دیافراگم جدید در دمای منفی 40 درجه سانتیگراد ده برابر باتری با استفاده از دیافراگم تجاری است.

تیم Chen در حال حاضر در حال آزمایش جداکننده های مبتنی بر MOF بر روی سایر الکترولیت ها هستند. چن گفت: "ما اثرات مشابهی را دیده‌ایم. با استفاده از این MOF به عنوان تثبیت‌کننده، می‌توان مولکول‌های الکترولیت مختلف را برای بهبود ایمنی باتری جذب کرد، از جمله باتری‌های لیتیومی سنتی با الکترولیت‌های فرار."