一項新技術可以顯著提高在超低溫下使用氣體電解質運行的鋰離子電池的安全性。加州大學圣地亞哥分校的納米工程師開發(fā)了一種隔板，它是電池的一部分，作為陽極和陰極之間的屏障，可以防止這些電池中的氣體電解質汽化。反過來，這種新的隔板可以幫助防止電池內部壓力積聚，從而導致膨脹和爆炸。

通過捕獲氣體分子，這種分離器可以作為揮發(fā)性電解質的穩(wěn)定劑，領導這項研究的加州大學圣地亞哥分校雅各布斯工程學院納米工程教授鄭晨說。

新的隔膜還提高了超低溫下的電池性能。使用新隔膜構建的電池在-40攝氏度下以每克500毫安小時的高容量運行，而使用商用隔膜構建的電池幾乎沒有容量。研究人員表示，即使在閑置兩個月后，電池仍表現(xiàn)出高容量，這是一個有希望的跡象，表明新隔板還可以延長保質期。

在低得多的壓力下將氣體電解質冷凝成液體的電池隔膜的藝術渲染。新的隔膜通過保持更多的電解質和鋰離子在電池中流動，提高了電池在極冷條件下的安全性和性能。

該團隊于6月7日在NatureCommunications上發(fā)表了他們的發(fā)現(xiàn)。

這一進步使研究人員更接近于制造鋰離子電池，這些電池可以在極冷的情況下為航天器、衛(wèi)星和深海船只等車輛提供動力。

這項工作建立在加州大學圣地亞哥分校納米工程教授YingShirleyMeng實驗室之前在《科學》雜志上發(fā)表的一項研究的基礎上，該研究首次報告了在低至-60攝氏度的溫度下性能良好的鋰離子電池的開發(fā)。使這些電池特別耐寒的原因是它們使用一種稱為液化氣電解質的特殊類型的電解質，這是一種通過施加壓力而液化的氣體。它比傳統(tǒng)的液體電解質更耐冷凍。

但有一個缺點。液化氣電解質很容易從液體變成氣體。這是這些電解質最大的安全問題，陳說，為了使用它們，必須施加很大的壓力來冷凝氣體分子并使電解質保持液態(tài)。

為了解決這個問題，Chen的實驗室與Meng和加州大學圣地亞哥分校納米工程教授TodPascal合作，開發(fā)了一種無需施加太大壓力即可輕松液化這些含氣電解質的方法。這一進展是通過將Pascal等計算專家的專業(yè)知識與Chen和Meng等實驗家的專業(yè)知識相結合，他們都是加州大學圣地亞哥分校材料研究科學與工程中心(MRSEC)的一部分。

他們的方法利用了一種物理現(xiàn)象，即氣體分子被困在納米級的微小空間中時會自發(fā)地凝結。這種現(xiàn)象稱為毛細管冷凝，可使氣體在低得多的壓力下變成液體。

該團隊利用這種現(xiàn)象構建了一種電池隔膜，可以穩(wěn)定超低溫電池中的電解質，一種由氟甲烷氣體制成的液化氣電解質。研究人員用一種稱為金屬有機框架(MOF)的多孔結晶材料制造了隔板。MOF的特別之處在于它充滿了微小的孔隙，能夠捕獲氟甲烷氣體分子并在相對較低的壓力下將它們冷凝。例如，氟甲烷通常在-30°C和118psi的壓力下冷凝；但是使用MOF，它在相同溫度下的冷凝壓力僅為11psi。

這種MOF顯著降低了使電解質工作所需的壓力，陳說，因此，我們的電池在低溫下可提供大量容量，并且不會出現(xiàn)退化。

研究人員在鋰離子電池中測試了基于MOF的隔膜-由碳氟化物陰極和鋰金屬陽極構成-在70psi的內部壓力下填充了氟甲烷氣體電解質，這遠低于液化所需的壓力氟甲烷。電池在-40攝氏度時仍保持其室溫容量的57%。相比之下，在相同溫度和壓力下，使用含氟甲烷氣體電解質的商用隔膜電池幾乎沒有容量。

基于MOF的隔膜的微孔是關鍵，因為它們可以讓更多的電解液在電池中流動，即使在減壓下也是如此。另一方面，商用隔板具有大孔，并且在減壓下不能保留氣體電解質分子。

但微小的孔隙并不是分離器在這些條件下運行良好的唯一原因。研究人員設計了分離器，使孔隙形成從一端到另一端的連續(xù)路徑。這確保了鋰離子仍然可以自由地流過隔膜。在測試中，采用新型隔膜的電池在-40℃時的離子電導率是采用商用隔膜的電池的10倍。

Chen的團隊現(xiàn)在正在其他電解質上測試基于MOF的隔膜。我們看到了類似的效果。我們可以使用這種MOF作為穩(wěn)定劑來吸附各種電解質分子并提高安全性，即使在傳統(tǒng)的鋰電池中也是如此，這些電池也具有揮發(fā)性電解質。