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Los ingenieros han desarrollado un separador que estabiliza los electrolitos gaseosos para hacer que las baterías de temperatura ultrabaja sean más seguras

20 Oct, 2021

By saltar

Según informes de medios extranjeros, nanoingenieros de la Universidad de California en San Diego han desarrollado un separador de batería que puede actuar como una barrera entre el cátodo y el ánodo para evitar que se vaporice el electrolito gaseoso de la batería. El nuevo diafragma evita que se acumule la presión interna de la tormenta, evitando así que la batería se hinche y explote.

El líder de la investigación, Zheng Chen, profesor de nanoingeniería en la Escuela de Ingeniería Jacobs de la Universidad de California en San Diego, dijo: "Al atrapar moléculas de gas, la membrana puede actuar como estabilizador de electrolitos volátiles".

El nuevo separador puede mejorar el rendimiento de la batería a temperaturas ultrabajas. La celda de la batería que usa el diafragma puede operar a menos 40°C, y la capacidad puede ser tan alta como 500 miliamperios hora por gramo, mientras que la batería de diafragma comercial tiene energía casi nula en este caso. Los investigadores dicen que incluso si no se usa durante dos meses, la capacidad de la celda de la batería sigue siendo alta. Este rendimiento muestra que el diafragma también puede prolongar la vida útil de almacenamiento. Este descubrimiento permite a los investigadores lograr aún más su objetivo: producir baterías que puedan proporcionar electricidad a vehículos en entornos helados, como naves espaciales, satélites y barcos de aguas profundas.

Esta investigación se basa en un estudio en el laboratorio de Ying Shirley Meng, profesora de nanoingeniería en la Universidad de California, San Diego. Esta investigación utiliza un electrolito de gas licuado particular para desarrollar una batería que puede mantener un buen rendimiento en un ambiente de menos 60°C por primera vez. Entre ellos, el electrolito gas licuado es un gas que se licua aplicando presión y es más resistente a las bajas temperaturas que los electrolitos líquidos tradicionales.

Pero este tipo de electrolito tiene un defecto; es fácil cambiar de líquido a gas. Chen dijo: "Este problema es el mayor problema de seguridad para este electrolito". Es necesario aumentar la presión para condensar las moléculas líquidas y mantener el electrolito en estado líquido para usar el electrolito.

El laboratorio de Chen colaboró ​​con Meng y Tod Pascal, profesor de nanoingeniería de la Universidad de California en San Diego, para resolver este problema. Al combinar la experiencia de expertos en computación como Pascal con investigadores como Chen y Meng, se ha desarrollado un método para licuar el electrolito vaporizado sin aplicar demasiada presión rápidamente. El personal mencionado anteriormente está afiliado al Centro de Ingeniería y Ciencia de Investigación de Materiales (MRSEC) de la Universidad de California, San Diego.

Este método se basa en un fenómeno físico en el que las moléculas de gas se condensan espontáneamente cuando quedan atrapadas en pequeños espacios a nanoescala. Este fenómeno se llama condensación capilar, que puede hacer que el gas se vuelva líquido a una presión más baja. El equipo de investigación utilizó este fenómeno para construir un separador de batería que puede estabilizar el electrolito en baterías de temperatura ultrabaja, un electrolito de gas licuado hecho de gas fluorometano. Los investigadores utilizaron un material cristalino poroso llamado estructura metal-orgánica (MOF) para crear la membrana. Lo único de MOF es que está lleno de pequeños poros, que pueden atrapar moléculas de gas fluorometano y condensarlas a una presión relativamente baja. Por ejemplo, el fluorometano generalmente se contrae a menos 30°C y tiene una fuerza de 118 psi; pero si se usa MOF, la presión de condensación del poroso a la misma temperatura es de solo 11 psi.

Chen dijo: "Este MOF reduce significativamente la presión requerida para que el electrolito funcione. Por lo tanto, nuestra batería puede proporcionar una gran cantidad de capacidad a bajas temperaturas sin degradación". Los investigadores probaron un separador basado en MOF en una batería de iones de litio. . La batería de iones de litio consta de un cátodo de fluorocarbono y un ánodo de metal de litio. Puede llenarlo con un electrolito de fluorometano gaseoso a una presión interna de 70 psi, mucho más baja que la presión requerida para licuar el fluorometano. La batería todavía puede mantener el 57 % de su capacidad de temperatura ambiente a menos 40 °C. Por el contrario, a la misma temperatura y presión, la potencia de una batería de diafragma comercial que utiliza un electrolito gaseoso que contiene fluorometano es casi nula.

Los microporos basados ​​en el separador MOF son la clave porque estos microporos pueden mantener más electrolitos fluyendo en la batería incluso bajo presión reducida. El diafragma comercial tiene poros grandes y no puede retener moléculas de electrolitos gaseosos bajo presión reducida. Pero la microporosidad no es la única razón por la que el diafragma funciona bien en estas condiciones. El diafragma diseñado por los investigadores también permite que los poros formen un camino continuo de un extremo al otro, asegurando así que los iones de litio puedan fluir libremente a través del diafragma. En la prueba, la conductividad iónica de la batería que usa el diafragma nuevo a menos 40 °C es diez veces mayor que la de la batería que usa el diafragma comercial.

El equipo de Chen actualmente está probando separadores basados ​​en MOF en otros electrolitos. Chen dijo: "Hemos visto efectos similares. Al usar este MOF como estabilizador, se pueden adsorber varias moléculas de electrolitos para mejorar la seguridad de la batería, incluidas las baterías de litio tradicionales con electrolitos volátiles".

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