Insinöörit ovat kehittäneet erottimen, joka stabiloi kaasumaisia elektrolyyttejä tehdäkseen erittäin alhaisen lämpötilan akuista turvallisempia
By hoppt
Ulkomaisten tiedotusvälineiden mukaan Kalifornian San Diegon yliopiston nanoinsinöörit ovat kehittäneet akun erottimen, joka voi toimia esteenä katodin ja anodin välillä estääkseen akun kaasumaisen elektrolyytin höyrystymisen. Uusi kalvo estää myrskyn sisäisen paineen kertymisen, mikä estää akun turpoamisen ja räjähtämisen.
Tutkimuksen johtaja Zheng Chen, nanotekniikan professori Jacobs School of Engineeringissä Kalifornian yliopistossa San Diegossa, sanoi: "Pidämällä kaasumolekyylejä kalvo voi toimia haihtuvien elektrolyyttien stabilointiaineena."
Uusi erotin voi parantaa akun suorituskykyä erittäin alhaisissa lämpötiloissa. Kalvoa käyttävä akkukenno voi toimia miinus 40 °C:ssa ja kapasiteetti voi olla jopa 500 milliampeerituntia grammaa kohden, kun taas kaupallisen kalvopariston teho on tässä tapauksessa lähes nolla. Tutkijat sanovat, että vaikka se jätettäisiin käyttämättä kahteen kuukauteen, akkukennojen kapasiteetti on silti korkea. Tämä suorituskyky osoittaa, että kalvo voi myös pidentää säilytysaikaa. Tämän löydön avulla tutkijat voivat saavuttaa tavoitteensa edelleen: tuottaa akkuja, jotka voivat tuottaa sähköä jäissä oleville ajoneuvoille, kuten avaruusaluksille, satelliiteille ja syvänmeren aluksille.
Tämä tutkimus perustuu Kalifornian yliopiston San Diegon nanotekniikan professorin Ying Shirley Mengin laboratorioon tehtyyn tutkimukseen. Tässä tutkimuksessa käytetään tiettyä nesteytettyä kaasuelektrolyyttiä akun kehittämiseksi, joka pystyy säilyttämään hyvän suorituskyvyn miinus 60 °C:n lämpötilassa ensimmäistä kertaa. Niistä nestekaasuelektrolyytti on kaasua, joka nesteytetään paineen avulla ja kestää alhaisia lämpötiloja paremmin kuin perinteiset nestemäiset elektrolyytit.
Mutta tällaisessa elektrolyytissä on vika; se on helppo vaihtaa nesteestä kaasuun. Chen sanoi: "Tämä ongelma on tämän elektrolyytin suurin turvallisuusongelma." Painetta on lisättävä nestemolekyylien kondensoimiseksi ja elektrolyytin pitämiseksi nestemäisessä tilassa elektrolyytin käyttämiseksi.
Chenin laboratorio teki yhteistyötä Mengin ja San Diegon yliopiston nanotekniikan professorin Tod Pascalin kanssa tämän ongelman ratkaisemiseksi. Yhdistämällä tietotekniikan asiantuntijoiden, kuten Pascalin, ja tutkijoiden, kuten Chenin ja Mengin, asiantuntemusta on kehitetty menetelmä, jolla höyrystynyt elektrolyytti nesteytetään ilman liian suurta painetta nopeasti. Yllä mainittu henkilöstö on sidoksissa San Diegon Kalifornian yliopiston materiaalitutkimuksen tiede- ja teknologiakeskukseen (MRSEC).
Tämä menetelmä lainaa fysikaalisesta ilmiöstä, jossa kaasumolekyylit tiivistyvät spontaanisti, kun ne jäävät loukkuun pienissä nanomittakaavan tiloissa. Tätä ilmiötä kutsutaan kapillaarikondensaatioksi, joka voi saada kaasun nestemäiseksi alemmalla paineella. Tutkimusryhmä käytti tätä ilmiötä rakentaakseen akun erottimen, joka voi stabiloida elektrolyytin erittäin matalan lämpötilan akuissa, nesteytetyssä kaasuelektrolyytissä, joka on valmistettu fluorimetaanikaasusta. Tutkijat käyttivät huokoista kiteistä materiaalia, jota kutsutaan metalliorgaaniseksi kehykseksi (MOF) kalvon luomiseen. Ainutlaatuista MOF:ssa on, että se on täynnä pieniä huokosia, jotka voivat vangita fluorimetaanikaasumolekyylejä ja kondensoida niitä suhteellisen alhaisessa paineessa. Esimerkiksi fluorimetaani yleensä kutistuu miinus 30 °C:ssa ja sen voima on 118 psi; mutta jos käytetään MOF:ää, on huokoisen kondensaatiopaine samassa lämpötilassa vain 11 psi.
Chen sanoi: "Tämä MOF vähentää merkittävästi painetta, joka tarvitaan elektrolyytin toimimiseen. Siksi akkumme voi tarjota suuren määrän kapasiteettia alhaisissa lämpötiloissa ilman hajoamista." Tutkijat testasivat MOF-pohjaista erotinta litiumioniakussa. . Litiumioniakku koostuu fluorihiilikatodista ja litiummetallianodista. Se voi täyttää sen kaasumaisella fluorimetaanielektrolyytillä 70 psi:n sisäisellä paineella, joka on paljon alhaisempi kuin fluorimetaanin nesteyttämiseen vaadittava paine. Akku voi silti säilyttää 57 % huoneenlämpötilastaan miinus 40°C:ssa. Sitä vastoin fluorimetaania sisältävää kaasumaista elektrolyyttiä käyttävän kaupallisen kalvopariston teho on samassa lämpötilassa ja paineessa lähes nolla.
MOF-erottimeen perustuvat mikrohuokoset ovat avainasemassa, koska nämä mikrohuokoset voivat pitää enemmän elektrolyyttejä virtaamassa akussa myös alennetussa paineessa. Kaupallisessa kalvossa on suuret huokoset, eikä se pysty pidättämään kaasumaisia elektrolyyttimolekyylejä alipaineessa. Mutta mikrohuokoisuus ei ole ainoa syy, miksi kalvo toimii hyvin näissä olosuhteissa. Tutkijoiden suunnittelema kalvo antaa myös huokosille mahdollisuuden muodostaa jatkuvan reitin päästä toiseen, mikä varmistaa, että litiumionit voivat virrata vapaasti kalvon läpi. Testissä uuden kalvon akun ioninjohtavuus miinus 40 °C:ssa on kymmenen kertaa kaupallista kalvoa käyttävän akun ionijohtavuus.
Chenin tiimi testaa parhaillaan MOF-pohjaisia erottimia muilla elektrolyyteillä. Chen sanoi: "Olemme nähneet samanlaisia vaikutuksia. Käyttämällä tätä MOF:ää stabilointiaineena erilaisia elektrolyyttimolekyylejä voidaan adsorboida akun turvallisuuden parantamiseksi, mukaan lukien perinteiset litiumakut, joissa on haihtuvia elektrolyyttejä."
