Stabilize gazlı elektrolitler, ultra düşük sıcaklıklı pilleri daha güvenli hale getirebilir

0
23

Gaz elektrolitlerini çok daha düşük bir basınçta sıvıya yoğunlaştıran bir pil ayırıcının sanatsal sunumu. Yeni ayırıcı, pilde daha fazla elektrolit ve lityum iyonlarının akmasını sağlayarak pil güvenliğini ve aşırı soğukta performansını artırır. Kredi bilgileri: Chen grubu

Yeni bir teknoloji, ultra düşük sıcaklıklarda gaz elektrolitleriyle çalışan lityum iyon pillerin güvenliğini önemli ölçüde artırabilir. California San Diego Üniversitesi’ndeki nanomühendisler, bu pillerdeki gaz bazlı elektrolitlerin buharlaşmasını engelleyen, pilin anot ve katot arasında bir bariyer görevi gören parçası olan bir ayırıcı geliştirdi. Bu yeni ayırıcı, pilin içinde şişmeye ve patlamaya neden olan basınç oluşumunu önlemeye yardımcı olabilir.

Çalışmayı yöneten UC San Diego Jacobs Mühendislik Okulu’nda nanomühendislik profesörü Zheng Chen, “Gaz moleküllerini yakalayarak, bu ayırıcı uçucu elektrolitler için bir dengeleyici olarak işlev görebilir” dedi.

Yeni ayırıcı, ultra düşük sıcaklıklarda pil performansını da artırdı. -40 C’de gram başına 500 miliamper-saat gibi yüksek bir kapasite ile çalışan yeni separatör ile yapılan pil hücreleri, ticari separatör ile yapılanlar ise neredeyse hiç kapasite göstermedi. Araştırmacılar, pil hücrelerinin iki ay boyunca kullanılmadan oturduktan sonra bile hala yüksek kapasite sergilediğini söyledi; bu, yeni ayırıcının raf ömrünü de uzatabileceğine dair umut verici bir işaret.

Ekip bulgularını 7 Haziran’da Nature Communications’da yayınladı.

Bu ilerleme, araştırmacıları uzay araçları, uydular ve derin deniz gemileri gibi aşırı soğukta araçlara güç sağlayabilen lityum iyon piller oluşturmaya bir adım daha yaklaştırıyor.

Bu çalışma, -60 C’ye kadar düşük sıcaklıklarda iyi performans gösteren lityum iyon pillerin gelişimini bildiren ilk kişi olan UC San Diego nanomühendislik profesörü Ying Shirley Meng’in laboratuvarı tarafından Science’da yayınlanan önceki bir çalışmaya dayanmaktadır. bu piller özellikle soğuğa dayanıklı, basınç uygulanarak sıvılaştırılan bir gaz olan sıvılaştırılmış gaz elektroliti adı verilen özel bir elektrolit türü kullanmalarıdır. Donmaya karşı geleneksel bir sıvı elektrolitten çok daha dayanıklıdır.

Ama bir dezavantajı var. Sıvılaştırılmış gaz elektrolitlerinin sıvıdan gaza geçme eğilimi yüksektir. Chen, “Bu elektrolitlerle ilgili en büyük güvenlik sorunu bu” dedi. Bunları kullanmak için gaz moleküllerini yoğunlaştırmak ve elektroliti sıvı halde tutmak için çok fazla basınç uygulanmalıdır.

Bu sorunla mücadele etmek için Chen’in laboratuvarı, bu gazlı elektrolitleri çok fazla basınç uygulamak zorunda kalmadan kolayca sıvılaştırmanın bir yolunu geliştirmek için Meng ve UC San Diego nano-mühendislik profesörü Tod Pascal ile birlikte çalıştı. İlerleme, Pascal gibi hesaplama uzmanlarının uzmanlığını, tümü UC San Diego Malzeme Araştırma Bilimi ve Mühendisliği Merkezi’nin (MRSEC) bir parçası olan Chen ve Meng gibi deneyciler ile birleştirerek mümkün oldu.

Yaklaşımları, gaz moleküllerinin küçücük, nanometre boyutundaki boşluklarda sıkışıp kaldıklarında kendiliğinden yoğunlaştığı fiziksel bir fenomeni kullanır. Kılcal yoğunlaşma olarak bilinen bu olay, bir gazın çok daha düşük bir basınçta sıvı hale gelmesini sağlar.

Ekip, bu fenomeni, ultra düşük sıcaklıktaki pillerindeki elektroliti stabilize edecek bir pil ayırıcısı oluşturmak için kullandı – florometan gazından yapılmış sıvılaştırılmış bir gaz elektroliti. Araştırmacılar ayırıcıyı metal-organik çerçeve (MOF) adı verilen gözenekli, kristal bir malzemeden yaptılar. MOF ile ilgili özel olan şey, florometan gazı moleküllerini yakalayabilen ve onları nispeten düşük basınçlarda yoğunlaştırabilen küçük gözeneklerle dolu olmasıdır. Örneğin, florometan tipik olarak -30°C’de 118 psi’lik bir basınç altında yoğunlaşır; ancak MOF ile aynı sıcaklıkta sadece 11 psi’de yoğunlaşır.

Chen, “Bu MOF, elektrolitin çalışması için gereken basıncı önemli ölçüde azaltır” dedi. “Sonuç olarak, pil hücrelerimiz düşük sıcaklıkta önemli miktarda kapasite sağlar ve bozulma göstermez.”

Araştırmacılar MOF bazlı ayırıcıyı, florometanı sıvılaştırmak için gereken basıncın oldukça altında olan 70 psi’lik bir iç basınç altında florometan gaz elektroliti ile doldurulmuş bir karbon florür katot ve lityum metal anot ile inşa edilmiş lityum iyon pil hücrelerinde test etti. Hücreler, -40 C’de oda sıcaklığındaki kapasitelerinin %57’sini korudu. Buna karşılık, ticari bir ayırıcıya sahip hücreler, aynı sıcaklık ve basınçta florometan gaz elektroliti ile neredeyse hiç kapasite göstermedi.

MOF tabanlı ayırıcının küçük gözenekleri, düşük basınç altında bile aküde daha fazla elektrolit akmasını sağladığı için anahtardır. Ticari ayırıcı ise büyük gözeneklere sahiptir ve gaz elektrolit moleküllerini düşük basınç altında tutamaz.

Ancak ayırıcının bu koşullarda bu kadar iyi çalışmasının tek nedeni küçük gözenekler değildir. Araştırmacılar ayırıcıyı, gözeneklerin bir uçtan diğerine sürekli yollar oluşturacak şekilde tasarladı. Bu, lityum iyonlarının ayırıcıdan serbestçe akabilmesini sağlar. Testlerde, yeni ayırıcıya sahip pil hücreleri, ticari ayırıcıya sahip hücrelere göre -40 C’de 10 kat daha yüksek iyonik iletkenliğe sahipti.

Chen’in ekibi şimdi MOF bazlı ayırıcıyı diğer elektrolitler üzerinde test ediyor. “Benzer etkiler görüyoruz. Bu MOF’yi çeşitli elektrolit moleküllerini adsorbe etmek ve aynı zamanda uçucu elektrolitlere sahip geleneksel lityum pillerde bile güvenliği artırmak için bir dengeleyici olarak kullanabiliriz.”

Ekip, kararlı, verimli, anotsuz sodyum pil geliştiriyor Daha fazla bilgi: Guorui Cai ve diğerleri, Alt nanometre sınırlaması, düşük sıcaklıklı piller için gaz elektrolitinin kolay yoğunlaştırılmasını sağlar, Nature Communications (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-23603-0 California Üniversitesi – San Diego tarafından sağlanmıştır

Alıntı: Gazlı elektrolitleri stabilize etmek, ultra düşük sıcaklıklı pilleri daha güvenli hale getirebilir (2021, 7 Haziran), 7 Haziran 2021 tarihinde https://techxplore.com/news/2021-06-stabilizing-gassy-electrolytes-ultra-low-temperature adresinden alınmıştır. html

Bu belge telif haklarına tabidir. Özel çalışma veya araştırma amaçlı herhangi bir adil işlem dışında, yazılı izin alınmadan hiçbir kısmı çoğaltılamaz. İçerik yalnızca bilgi amaçlı verilmiştir.

CEVAP VER

Lütfen yorumunuzu giriniz!
Lütfen isminizi buraya giriniz