Verkfræðingar hafa þróað skilju sem kemur á stöðugleika í loftkenndum raflausnum til að gera rafhlöður með mjög lágan hita öruggari

Samkvæmt erlendum fjölmiðlum hafa nanóverkfræðingar við háskólann í Kaliforníu í San Diego þróað rafhlöðuskilju sem getur virkað sem hindrun á milli bakskauts og rafskauts til að koma í veg fyrir að raflausnin í rafhlöðunni gufi upp. Nýja þindið kemur í veg fyrir að innri þrýstingur stormsins safnist fyrir og kemur þannig í veg fyrir að rafhlaðan bólgni og springi.

Rannsóknarleiðtoginn, Zheng Chen, prófessor í nanóverkfræði við Jacobs School of Engineering við háskólann í Kaliforníu, San Diego, sagði: "Með því að fanga gassameindir getur himnan virkað sem stöðugleiki fyrir rokgjörn raflausn."

Nýja skiljan getur bætt afköst rafhlöðunnar við mjög lágt hitastig. Rafhlöðusalan sem notar þindið getur starfað við mínus 40°C og afkastagetan getur verið allt að 500 milliamper klukkustundir á gramm, á meðan þindarafhlaðan í atvinnuskyni hefur næstum núll afl í þessu tilfelli. Vísindamenn segja að jafnvel þótt það sé látið ónotað í tvo mánuði sé rafgeymirinn enn mikil. Þessi frammistaða sýnir að þindið getur einnig lengt geymsluþol. Þessi uppgötvun gerir rannsakendum kleift að ná markmiði sínu enn frekar: að framleiða rafhlöður sem geta veitt rafmagni fyrir farartæki í ískalt umhverfi, svo sem geimför, gervihnöttum og djúpsjávarskipum.

Þessi rannsókn er byggð á rannsókn á rannsóknarstofu Ying Shirley Meng, prófessors í nanóverkfræði við Kaliforníuháskóla í San Diego. Þessi rannsókn notar tiltekið fljótandi gas raflausn til að þróa rafhlöðu sem getur viðhaldið góðum árangri í umhverfi mínus 60°C í fyrsta skipti. Meðal þeirra er raflausnin í fljótandi gasi gas sem er fljótandi með því að beita þrýstingi og er ónæmari fyrir lágu hitastigi en hefðbundin fljótandi raflausn.

En svona raflausn hefur galla; það er auðvelt að breyta úr vökva í gas. Chen sagði: "Þetta vandamál er stærsta öryggisvandamálið fyrir þennan raflausn." Auka þarf þrýstinginn til að þétta vökvasameindirnar og halda raflausninni í fljótandi ástandi til að nota raflausnina.

Rannsóknarstofa Chen var í samstarfi við Meng og Tod Pascal, prófessor í nanóverkfræði við háskólann í Kaliforníu, San Diego, til að leysa þetta vandamál. Með því að sameina sérfræðiþekkingu tölvusérfræðinga eins og Pascal við vísindamenn eins og Chen og Meng hefur verið þróuð aðferð til að vökva uppgufða raflausnina án þess að beita of miklum þrýstingi hratt. Starfsfólkið sem nefnt er hér að ofan er tengt efnisrannsóknarvísinda- og verkfræðimiðstöðinni (MRSEC) við Kaliforníuháskóla í San Diego.

Þessi aðferð tekur lán frá eðlisfræðilegu fyrirbæri þar sem gassameindir þéttast af sjálfu sér þegar þær eru fastar í pínulitlum rýmum á nanóskala. Þetta fyrirbæri er kallað háræðaþétting, sem getur valdið því að gasið verður fljótandi við lægri þrýsting. Rannsóknarteymið notaði þetta fyrirbæri til að smíða rafhlöðuskilju sem getur komið á stöðugleika á raflausninni í rafhlöðum með mjög lágt hitastig, raflausn sem er fljótandi gas úr flúormetangasi. Rannsakendur notuðu gljúpt kristallað efni sem kallast málmlífræn ramma (MOF) til að búa til himnuna. Það einstaka við MOF er að það er fullt af örsmáum svitaholum, sem geta fangað flúormetangassameindir og þéttað þær við tiltölulega lágan þrýsting. Til dæmis, flúormetan minnkar venjulega við mínus 30°C og hefur kraftinn 118 psi; en ef MOF er notað er þéttingarþrýstingur porous við sama hitastig aðeins 11 psi.

Chen sagði: "Þessi MOF dregur verulega úr þrýstingnum sem þarf til að raflausnin virki. Þess vegna getur rafhlaðan okkar veitt mikið magn af getu við lágt hitastig án niðurbrots." Rannsakendur prófuðu MOF-undirstaða skilju í litíumjónarafhlöðu. . Lithium-ion rafhlaðan samanstendur af flúorkolefni bakskaut og litíum málm rafskaut. Það getur fyllt það með loftkenndri flúormetan raflausn við innri þrýsting sem er 70 psi, mun lægri en þrýstingurinn sem þarf til að flúormetan verði fljótandi. Rafhlaðan getur samt haldið 57% af getu sinni við stofuhita við mínus 40°C. Aftur á móti, við sama hitastig og þrýsting, er kraftur þindarafhlöðu sem notar loftkenndan raflausn sem inniheldur flúormetan næstum núll.

Örholurnar sem eru byggðar á MOF skiljanum eru lykillinn vegna þess að þessar örholur geta haldið fleiri raflausnum flæði í rafhlöðunni jafnvel við minni þrýsting. Þindið í atvinnuskyni hefur stórar svitaholur og getur ekki haldið loftkenndum raflausnum sameindum undir minni þrýstingi. En microporosity er ekki eina ástæðan fyrir því að þindið virkar vel við þessar aðstæður. Þindið sem rannsakendur hafa hannað gerir líka svitaholunum kleift að mynda samfellda leið frá einum enda til annars og tryggir þannig að litíumjónir geti flætt frjálslega í gegnum þindið. Í prófuninni er jónaleiðni rafhlöðunnar sem notar nýju þindið við mínus 40°C tífalt hærri en rafhlaðan sem notar þindið í atvinnuskyni.

Teymi Chen er nú að prófa MOF-undirstaða skilju á öðrum raflausnum. Chen sagði: "Við höfum séð svipuð áhrif. Með því að nota þetta MOF sem sveiflujöfnun er hægt að aðsogast ýmsar raflausnarsameindir til að bæta rafhlöðuöryggi, þar á meðal hefðbundnar litíum rafhlöður með rokgjörnum raflausnum."