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

据外媒报道，加州大学圣地亚哥分校的纳米工程师开发了一种电池隔膜，可以作为阴极和阳极之间的屏障，防止电池中气体电解质的蒸发。这种新型隔膜可以防止电池内部压力的积聚，从而避免电池膨胀和爆炸。加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院纳米工程教授、该研究的负责人郑晨说，“通过捕获气体分子，这种隔膜可以作为挥发性电解质的稳定剂。”新型隔膜可以提高电池在超低温下的性能。使用这种隔膜的电池可以在-40℃以下的温度下工作，每克的容量高达500毫安时，而使用商用隔膜的电池在这种情况下几乎没有容量。研究人员表示，即使闲置两个月，电池的容量仍然很高。这种性能表明隔膜还可以延长其储存寿命。这一发现可以进一步使研究人员实现生产电池的目标，这些电池可以为航天器、卫星和深海船只等极冷环境中的车辆提供电力。

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的一项研究。这项研究首次使用一种特殊的液化气体电解质开发了一种能够在-60℃以下的环境中保持良好性能的电池。其中，液化气体电解质是一种通过施加压力而液化的气体，它比传统的液体电解质更耐低温。但这种电解质有缺陷，即很容易从液体变成气体。陈说，“这个问题是这种电解质最大的安全问题。”要使用这种电解质，有必要增加压力来冷凝液体分子，并使电解质保持液态。为了解决这个问题，陈的实验室与孟和加州大学圣地亚哥分校纳米工程教授Tod Pascal合作。通过将Pascal等计算专家的专业知识与Chen和Meng等研究人员的专业知识相结合，开发了一种在不施加太大压力的情况下轻松液化气化电解质的方法。其中，上述人员均隶属于加州大学圣地亚哥分校材料研究科学与工程中心。这种方法的灵感来自一种物理现象，即气体分子被困在微小的纳米级空间中时会自发冷凝。这种现象被称为毛细管冷凝，它可以使气体在较低的压力下变成液体。研究团队利用这一现象构建了一种电池隔膜，可以稳定超低温电池中的电解质，这是一种由氟甲烷气体制成的液化气体电解质。研究人员使用了一种称为金属有机框架的多孔晶体材料来制造这种膜。MOF的独特之处在于它充满了微孔，可以捕获氟甲烷气体分子并在相对较低的压力下将其冷凝。例如，氟甲烷通常在-30℃和118磅/平方英寸的压力下冷凝；

然而，如果使用MOF，在相同温度下，多孔体的冷凝压力仅为11psi。陈说：“这种MOF显著降低了电解质操作所需的压力。因此，我们的电池可以在低温下提供大量容量而不会退化。”研究人员在锂离子电池中测试了基于MOF的隔膜。锂离子电池由氟化碳阴极和锂金属阳极组成，并且可以在70psi的内部压力下填充氟甲烷的气体电解质，该内部压力远低于液化氟甲烷所需的压力。该电池在零下40摄氏度时仍能保持57%的室温容量。相比之下，使用氟甲烷气体电解质的商用隔膜电池在相同的温度和压力下几乎为零容量。基于MOF膜的微孔是至关重要的，因为即使在减压下，它们也能保持电池中大量的电解质流动。然而，商用膜具有较大的孔，并且在减压下不能保留气态电解质分子。但微孔并不是膜在这些条件下运行良好的唯一原因。研究人员设计的隔膜还可以形成从一端到另一端的连续孔隙路径，确保锂离子可以自由流过隔膜。在测试中，使用新型分离器的电池在-40℃时的离子电导率是使用商用分离器的电池的10倍。Chen的团队目前正在其他电解质上测试基于MOF的隔膜。陈说：“我们也看到了类似的效果。通过使用这种MOF作为稳定剂，可以吸附各种电解质分子，从而提高电池的安全性，包括具有挥发性电解质的传统锂电池

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