طور المهندسون فاصلًا يعمل على استقرار الإلكتروليتات الغازية لجعل البطاريات ذات درجات الحرارة المنخفضة للغاية أكثر أمانًا

وفقًا لتقارير وسائل الإعلام الأجنبية ، طور مهندسو النانو في جامعة كاليفورنيا في سان دييغو فاصلًا للبطارية يمكن أن يعمل كحاجز بين الكاثود والأنود لمنع الإلكتروليت الغازي في البطارية من التبخر. يمنع الحجاب الحاجز الجديد الضغط الداخلي للعاصفة من التراكم ، وبالتالي يمنع البطارية من الانتفاخ والانفجار.

قال قائد البحث ، Zheng Chen ، أستاذ الهندسة النانوية في كلية جاكوبس للهندسة في جامعة كاليفورنيا ، سان دييغو: "من خلال محاصرة جزيئات الغاز ، يمكن للغشاء أن يعمل كمثبت للإلكتروليتات المتطايرة".

يمكن للفاصل الجديد تحسين أداء البطارية في درجات حرارة منخفضة للغاية. يمكن أن تعمل خلية البطارية التي تستخدم الحجاب الحاجز عند درجة حرارة أقل من 40 درجة مئوية ، ويمكن أن تصل السعة إلى 500 مللي أمبير ساعة لكل جرام ، في حين أن بطارية الحجاب الحاجز التجارية لا تحتوي على طاقة تقريبًا في هذه الحالة. يقول الباحثون أنه حتى لو تُركت دون استخدام لمدة شهرين ، فإن سعة خلية البطارية لا تزال عالية. يوضح هذا الأداء أن الحجاب الحاجز يمكنه أيضًا إطالة عمر التخزين. يسمح هذا الاكتشاف للباحثين بتحقيق هدفهم بشكل أكبر: إنتاج بطاريات يمكنها توفير الكهرباء للمركبات في البيئات الجليدية ، مثل المركبات الفضائية والأقمار الصناعية وسفن أعماق البحار.

يستند هذا البحث إلى دراسة أجريت في مختبر Ying Shirley Meng ، أستاذ الهندسة النانوية في جامعة كاليفورنيا ، سان دييغو. يستخدم هذا البحث إلكتروليتًا غازيًا مسالًا معينًا لتطوير بطارية يمكنها الحفاظ على أداء جيد في بيئة أقل من 60 درجة مئوية لأول مرة. من بينها ، المحلول الكهربائي للغاز المسال عبارة عن غاز يتم تسييله عن طريق الضغط وهو أكثر مقاومة لدرجات الحرارة المنخفضة من الإلكتروليتات السائلة التقليدية.

لكن هذا النوع من الإلكتروليت به عيب ؛ من السهل التغيير من السائل إلى الغاز. قال تشين: "هذه المشكلة هي أكبر مشكلة تتعلق بسلامة هذا المنحل بالكهرباء". يجب زيادة الضغط لتكثيف جزيئات السائل والحفاظ على المنحل بالكهرباء في حالة سائلة لاستخدام المنحل بالكهرباء.

تعاون مختبر تشين مع مينج وتود باسكال ، أستاذ الهندسة النانوية في جامعة كاليفورنيا ، سان دييغو ، لحل هذه المشكلة. من خلال الجمع بين خبرة خبراء الحوسبة مثل Pascal والباحثين مثل Chen و Meng ، تم تطوير طريقة لإذابة المنحل بالكهرباء المتبخرة دون تطبيق الكثير من الضغط بسرعة. ينتمي الموظفون المذكورون أعلاه إلى مركز أبحاث وعلوم وهندسة المواد (MRSEC) التابع لجامعة كاليفورنيا ، سان دييغو.

تستعير هذه الطريقة من ظاهرة فيزيائية تتكثف فيها جزيئات الغاز تلقائيًا عندما تكون محاصرة في مساحات صغيرة على نطاق نانوي. تسمى هذه الظاهرة التكثيف الشعري ، والتي يمكن أن تجعل الغاز يصبح سائلًا عند ضغط منخفض. استخدم فريق البحث هذه الظاهرة لبناء فاصل للبطارية يمكنه تثبيت الإلكتروليت في بطاريات ذات درجة حرارة منخفضة للغاية ، وهو عبارة عن إلكتروليت غاز مسال مصنوع من غاز فلورو ميثان. استخدم الباحثون مادة بلورية مسامية تسمى الإطار المعدني العضوي (MOF) لإنشاء الغشاء. الشيء الفريد في الأطر العضوية المعدنية هو أنها مليئة بالمسام الصغيرة ، والتي يمكن أن تحبس جزيئات غاز الفلور ميثان وتكثفها عند ضغط منخفض نسبيًا. على سبيل المثال ، يتقلص الفلور ميثان عادة عند 30 درجة مئوية تحت الصفر ويبلغ قوته 118 رطل / بوصة مربعة ؛ ولكن إذا تم استخدام الأطر العضوية المعدنية ، فإن ضغط تكثيف المسام عند نفس درجة الحرارة هو 11 رطل / بوصة مربعة فقط.

قال تشين: "هذا الإطار المعدني يقلل بشكل كبير الضغط المطلوب لتشغيل المنحل بالكهرباء. لذلك ، يمكن لبطاريتنا توفير قدر كبير من السعة في درجات حرارة منخفضة دون تدهور." اختبر الباحثون فاصلًا قائمًا على الأطر العضوية المعدنية في بطارية ليثيوم أيون. . تتكون بطارية الليثيوم أيون من كاثود فلوروكربوني وأنود معدن الليثيوم. يمكن أن تملأه بمحلول إلكتروليت فلورو ميثان غازي عند ضغط داخلي 70 رطل / بوصة مربعة ، أقل بكثير من الضغط المطلوب لإسالة الفلور ميثان. لا يزال بإمكان البطارية الاحتفاظ بنسبة 57٪ من قدرتها في درجة حرارة الغرفة عند أقل من 40 درجة مئوية. في المقابل ، عند نفس درجة الحرارة والضغط ، تكون طاقة بطارية الحجاب الحاجز التجارية التي تستخدم إلكتروليتًا غازيًا يحتوي على الفلور ميثان صفرًا تقريبًا.

المسام الدقيقة القائمة على فاصل MOF هي المفتاح لأن هذه المسام الدقيقة يمكنها الحفاظ على تدفق المزيد من الإلكتروليتات في البطارية حتى تحت ضغط منخفض. يحتوي الحجاب الحاجز التجاري على مسام كبيرة ولا يمكنه الاحتفاظ بجزيئات المنحل بالكهرباء الغازية تحت ضغط منخفض. لكن المسامية الدقيقة ليست السبب الوحيد الذي يجعل الحجاب الحاجز يعمل بشكل جيد في ظل هذه الظروف. يسمح الحجاب الحاجز الذي صممه الباحثون أيضًا للمسام بتشكيل مسار مستمر من طرف إلى آخر ، وبالتالي ضمان أن أيونات الليثيوم يمكن أن تتدفق بحرية عبر الحجاب الحاجز. في الاختبار ، الموصلية الأيونية للبطارية باستخدام الحجاب الحاجز الجديد عند 40 درجة مئوية تحت الصفر هي عشرة أضعاف الموصلية الأيونية للبطارية باستخدام الحجاب الحاجز التجاري.

يقوم فريق Chen حاليًا باختبار أجهزة الفصل المعتمدة على الأطر العضوية المعدنية على إلكتروليتات أخرى. قال تشين: "لقد رأينا تأثيرات مماثلة. باستخدام هذا الإطار المعدني كمثبت ، يمكن امتصاص جزيئات المنحل بالكهرباء المختلفة لتحسين سلامة البطارية ، بما في ذلك بطاريات الليثيوم التقليدية ذات الإلكتروليتات المتطايرة."