“工程师开发出可稳定气态电解质的隔膜 使超低温电池更安全”

世界汽车信息报道，加州大学圣地亚哥分校( university of california san diego )的纳米工程师开发了防止电池内气态电解质气化的电池隔膜，作为阴极和阳极之间的屏障。 这种新的隔板可以防止电池内部的压力积累，不会使电池膨胀爆炸。

该研究的带头人、加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院( jacobs school of engineering )纳米工程教授zheng chen说:“通过捕获气体分子，该隔膜起到挥发性电解质的稳定剂的作用。”

这种新型的隔膜可以提高极低温下的电池性能。 使用该隔膜的电池单元在零下40℃的温度下工作，容量可达到每克500mah，但使用商用隔膜的电池的容量几乎为零。 研究人员表示，即使在2个月空闲的情况下，电池单元的容量也很高。 该性能表明，该分离器还可以延长储存寿命。 这一发现使研究人员能够进一步实现利用航天器、卫星、深海飞船等环境，在极寒环境下生产能够为车辆供电的电池的目标。

(图片来源:加州大学圣地亚哥分校)

这项研究基于加州大学圣地亚哥分校纳米工程教授ying shirley meng实验室的研究。 在该研究中，首次开发了使用特殊的液化气电解质，能够在负60℃环境下维持良好性能的电池。 其中，液化气体电解质是通过施加压力而液化的气体，比以往传输的液体电解质更耐低温。

但是，这种电解质有缺陷，容易从液体变成气体。 chen说:“这个问题是这个电解质最大的安全问题。” 为了采用这种电解质，需要加大压力使液体分子凝结，使电解质保持液态。

为了处理这个问题，chen的实验室与meng和加州大学圣地亚哥分校纳米工程教授tod pascal进行了合作。 通过将pascal等计算专家的专业信息与chen和meng等研究者的专业信息相结合，开发出了不用施加很大的压力就可以简单地将这种气化电解质液化的做法。 其中，这些人员隶属于加州大学圣地亚哥分校的材料研究科学与工程中心( mrsec )。

这种做法参考了气体分子被困在微小纳米级空之间时自发凝结的物理现象。 这种现象叫做毛细管冷凝，可以在很低的压力下把气体变成液体。 研究小组利用这一现象，构筑了稳定超低温电池中的电解质、用氟甲烷气体制作的液化气电解质的电池隔膜。 研究人员利用被称为金属有机框架( mof )的多孔结晶材料制作了这个隔板。 mof的特别之处在于，充满了小空隙，能够捕获氟甲烷气体的分子，在较低的压力下使分子凝结。 例如，氟甲烷通常在零下30℃和118 psi的压力下冷凝； 但是，如果采用mof的话，porous在相同温度下的冷凝压力为11 psi就可以了。

chen说:“这个mof大大降低了电解质工作所需的压力。 因此，我们的电池可以在低温下提供大量的容量，同时不会劣化。 ”研究者用锂离子电池测试了基于mof的隔膜。 锂离子电池由氟化碳阴极和锂金属阳极组成，内部压力70 psi可以填充氟甲烷的气态电解质，远远低于液化氟甲烷所需的压力。 电池在零下40℃也能维持室温容量的57%。 与此相比，在相同的温度和压力下，使用含氟甲烷气体电解质的商用隔板电池的容量几乎为零。

基于mof隔膜的微细孔很重要，因为即使在减压下也能够维持很多电解液在电池内流动。 商用隔板的空隙很大，减压下不能保存气态电解质分子。 但是，微孔并不是隔膜在这些条件下工作良好的唯一原因。 研究人员设计的隔膜还可以在空隙中形成从一端到另一端的连续路径，使锂离子可以自由通过隔膜。 在测试中，使用新型隔板的电池在负40℃下的离子传导率是使用商用隔板的电池的10倍。

chen的团队现在正在用其他电解质测试基于mof的隔膜。 chen说:“我们看到了同样的效果。 通过采用该mof作为稳定剂，可以吸附包括具有挥发性电解质的以往的锂电池在内的各种电解质分子，提高电池的安全性。 ”