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Les ingénieurs ont développé un séparateur qui stabilise les électrolytes gazeux pour rendre les batteries à très basse température plus sûres

20 Oct, 2021

By hoppt

Selon des médias étrangers, des nano-ingénieurs de l'Université de Californie à San Diego ont développé un séparateur de batterie qui peut agir comme une barrière entre la cathode et l'anode pour empêcher l'électrolyte gazeux de la batterie de se vaporiser. Le nouveau diaphragme empêche la pression interne de la tempête de s'accumuler, empêchant ainsi la batterie de gonfler et d'exploser.

Le chef de la recherche, Zheng Chen, professeur de nano-ingénierie à la Jacobs School of Engineering de l'Université de Californie à San Diego, a déclaré : « En piégeant les molécules de gaz, la membrane peut agir comme un stabilisateur pour les électrolytes volatils.

Le nouveau séparateur peut améliorer les performances de la batterie à des températures ultra-basses. La cellule de batterie utilisant le diaphragme peut fonctionner à moins 40 ° C et la capacité peut atteindre 500 milliampères heures par gramme, tandis que la batterie à diaphragme commerciale a une puissance presque nulle dans ce cas. Les chercheurs disent que même s'il n'est pas utilisé pendant deux mois, la capacité des cellules de la batterie est toujours élevée. Cette performance montre que le diaphragme peut également prolonger la durée de stockage. Cette découverte permet aux chercheurs d'aller plus loin dans leur objectif : produire des batteries capables de fournir de l'électricité aux véhicules dans des environnements glacés, tels que les engins spatiaux, les satellites et les navires hauturiers.

Cette recherche est basée sur une étude du laboratoire de Ying Shirley Meng, professeur de nanoingénierie à l'Université de Californie à San Diego. Cette recherche utilise un électrolyte de gaz liquéfié particulier pour développer une batterie capable de maintenir pour la première fois de bonnes performances dans un environnement à moins 60°C. Parmi eux, l'électrolyte gaz liquéfié est un gaz qui se liquéfie en appliquant une pression et qui résiste mieux aux basses températures que les électrolytes liquides traditionnels.

Mais ce type d'électrolyte a un défaut ; il est facile de passer du liquide au gaz. Chen a déclaré: "Ce problème est le plus gros problème de sécurité pour cet électrolyte." La pression doit être augmentée pour condenser les molécules liquides et maintenir l'électrolyte à l'état liquide pour utiliser l'électrolyte.

Le laboratoire de Chen a collaboré avec Meng et Tod Pascal, professeur de nanoingénierie à l'Université de Californie à San Diego, pour résoudre ce problème. En combinant l'expertise d'experts en informatique tels que Pascal avec des chercheurs tels que Chen et Meng, une méthode a été développée pour liquéfier l'électrolyte vaporisé sans appliquer trop de pression rapidement. Le personnel mentionné ci-dessus est affilié au Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC) de l'Université de Californie à San Diego.

Cette méthode emprunte à un phénomène physique dans lequel les molécules de gaz se condensent spontanément lorsqu'elles sont piégées dans de minuscules espaces à l'échelle nanométrique. Ce phénomène est appelé condensation capillaire, qui peut rendre le gaz liquide à une pression plus basse. L'équipe de recherche a utilisé ce phénomène pour construire un séparateur de batterie capable de stabiliser l'électrolyte dans les batteries à ultra-basse température, un électrolyte de gaz liquéfié à base de gaz fluorométhane. Les chercheurs ont utilisé un matériau cristallin poreux appelé cadre organométallique (MOF) pour créer la membrane. La particularité du MOF est qu'il est plein de minuscules pores, qui peuvent piéger les molécules de gaz fluorométhane et les condenser à une pression relativement basse. Par exemple, le fluorométhane rétrécit généralement à moins 30°C et a une force de 118 psi ; mais si MOF est utilisé, la pression de condensation du poreux à la même température n'est que de 11 psi.

Chen a déclaré: "Ce MOF réduit considérablement la pression requise pour que l'électrolyte fonctionne. Par conséquent, notre batterie peut fournir une grande quantité de capacité à basse température sans dégradation." Les chercheurs ont testé un séparateur à base de MOF dans une batterie lithium-ion. . La batterie lithium-ion se compose d'une cathode fluorocarbone et d'une anode lithium métal. Il peut le remplir d'un électrolyte gazeux de fluorométhane à une pression interne de 70 psi, bien inférieure à la pression requise pour liquéfier le fluorométhane. La batterie peut encore maintenir 57% de sa capacité à température ambiante à moins 40°C. En revanche, à température et pression identiques, la puissance d'une batterie à membrane commerciale utilisant un électrolyte gazeux contenant du fluorométhane est quasi nulle.

Les micropores basés sur le séparateur MOF sont la clé car ces micropores peuvent maintenir plus d'électrolytes circulant dans la batterie même sous pression réduite. Le diaphragme commercial a de grands pores et ne peut pas retenir les molécules d'électrolyte gazeux sous pression réduite. Mais la microporosité n'est pas la seule raison pour laquelle le diaphragme fonctionne bien dans ces conditions. Le diaphragme conçu par les chercheurs permet également aux pores de former un chemin continu d'une extrémité à l'autre, garantissant ainsi que les ions lithium peuvent circuler librement à travers le diaphragme. Lors du test, la conductivité ionique de la batterie utilisant le nouveau diaphragme à moins 40°C est dix fois supérieure à celle de la batterie utilisant le diaphragme commercial.

L'équipe de Chen teste actuellement des séparateurs à base de MOF sur d'autres électrolytes. Chen a déclaré: "Nous avons constaté des effets similaires. En utilisant ce MOF comme stabilisateur, diverses molécules d'électrolyte peuvent être adsorbées pour améliorer la sécurité des batteries, y compris les batteries au lithium traditionnelles à électrolytes volatils."

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