エンジニアは、ガス状電解質を安定化させて超低温電池をより安全にするセパレーターを開発しました

外国メディアの報道によると、カリフォルニア大学サンディエゴ校のナノエンジニアは、バッテリー内のガス状電解質が蒸発するのを防ぐために、カソードとアノードの間のバリアとして機能できるバッテリーセパレーターを開発しました。 新しいダイアフラムは、嵐の内圧が蓄積するのを防ぎ、それによってバッテリーが膨らんだり爆発したりするのを防ぎます。

カリフォルニア大学サンディエゴ校のジェイコブス工科大学のナノエンジニアリング教授である研究リーダーのZhengChen氏は、「ガス分子をトラップすることにより、膜は揮発性電解質の安定剤として機能することができます」と述べています。

新しいセパレーターは、超低温でのバッテリー性能を向上させることができます。 ダイヤフラムを使用するバッテリーセルはマイナス40°Cで動作でき、容量は500グラムあたりXNUMXミリアンペア時間にもなりますが、この場合、市販のダイヤフラムバッテリーの電力はほとんどありません。 研究者によると、XNUMXか月間使用しなくても、バッテリーセルの容量はまだ大きいとのことです。 この性能は、ダイヤフラムが保管寿命を延ばすこともできることを示しています。 この発見により、研究者はさらに目標を達成することができます。それは、宇宙船、衛星、深海船などの氷の環境で車両に電力を供給することができるバッテリーを製造することです。

この研究は、カリフォルニア大学サンディエゴ校のナノエンジニアリングの教授であるYing ShirleyMengの研究室での研究に基づいています。 この研究では、特定の液化ガス電解質を使用して、マイナス60°Cの環境で初めて良好な性能を維持できるバッテリーを開発しました。 なかでも液化ガス電解質は、圧力を加えることで液化するガスであり、従来の液体電解質よりも低温に強いガスです。

しかし、この種の電解質には欠陥があります。 液体から気体への変更は簡単です。 チェン氏は、「この問題は、この電解質の最大の安全性の問題です」と述べています。 電解質を使用するには、液体分子を凝縮し、電解質を液体状態に保つために圧力を上げる必要があります。

Chenの研究室は、カリフォルニア大学サンディエゴ校のナノエンジニアリングの教授であるMengおよびTod Pascalと協力して、この問題を解決しました。 Pascalなどのコンピューティングの専門家とChenやMengなどの研究者の専門知識を組み合わせることにより、あまり圧力をかけずに気化した電解質を液化する方法が開発されました。 上記の担当者は、カリフォルニア大学サンディエゴ校の材料研究科学工学センター（MRSEC）に所属しています。

この方法は、ガス分子が小さなナノスケールの空間に閉じ込められたときに自然に凝縮するという物理現象から借用しています。 この現象は毛細管凝縮と呼ばれ、低圧で気体を液体にすることができます。 研究チームはこの現象を利用して、フルオロメタンガスで作られた液化ガス電解質である超低温電池の電解質を安定させることができる電池分離器を構築しました。 研究者らは、有機金属フレームワーク（MOF）と呼ばれる多孔質の結晶性材料を使用して膜を作成しました。 MOFのユニークな点は、フルオロメタンガス分子をトラップして比較的低圧で凝縮できる小さな細孔でいっぱいであることです。 たとえば、フルオロメタンは通常マイナス30°Cで収縮し、118psiの力があります。 ただし、MOFを使用する場合、同じ温度での多孔質の凝縮圧力はわずか11psiです。

チェン氏は次のように述べています。「このMOFは、電解質が機能するために必要な圧力を大幅に低減します。したがって、当社のバッテリーは、劣化することなく低温で大容量を提供できます。」 研究者らは、リチウムイオン電池でMOFベースのセパレーターをテストしました。 。 リチウムイオン電池は、フルオロカーボンカソードとリチウム金属アノードで構成されています。 フルオロメタンの液化に必要な圧力よりはるかに低い70psiの内圧で、ガス状のフルオロメタン電解質で満たすことができます。 バッテリーは、マイナス57°Cでも室温容量の40％を維持できます。 対照的に、同じ温度と圧力では、フルオロメタンを含むガス状電解質を使用する市販のダイヤフラムバッテリーの電力はほぼゼロです。

MOFセパレーターに基づくミクロポアは、減圧下でもバッテリー内により多くの電解質を流し続けることができるため、重要です。 市販のダイヤフラムは大きな細孔を持っており、減圧下でガス状の電解質分子を保持することはできません。 しかし、これらの条件下でダイヤフラムがうまく機能する理由は、ミクロ多孔性だけではありません。 研究者によって設計されたダイアフラムはまた、細孔が一方の端からもう一方の端まで連続した経路を形成することを可能にし、それによってリチウムイオンがダイアフラムを通って自由に流れることができるようにします。 テストでは、マイナス40°Cで新しいダイアフラムを使用したバッテリーのイオン伝導率は、市販のダイアフラムを使用したバッテリーのXNUMX倍です。

Chenのチームは現在、他の電解質でMOFベースのセパレーターをテストしています。 チェン氏は次のように述べています。「同様の効果が見られます。このMOFを安定剤として使用することで、揮発性電解質を使用した従来のリチウム電池など、さまざまな電解質分子を吸着して電池の安全性を向上させることができます。」