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Engenheiros desenvolveram um separador que estabiliza eletrólitos gasosos para tornar as baterias de temperatura ultrabaixa mais seguras

20 de Outubro, 2021

By pular

De acordo com relatos da mídia estrangeira, nanoengenheiros da Universidade da Califórnia em San Diego desenvolveram um separador de bateria que pode atuar como uma barreira entre o cátodo e o ânodo para evitar que o eletrólito gasoso na bateria se vaporize. O novo diafragma evita que a pressão interna da tempestade se acumule, evitando assim que a bateria inche e exploda.

O líder da pesquisa, Zheng Chen, professor de nanoengenharia da Escola de Engenharia Jacobs da Universidade da Califórnia, em San Diego, disse: "Ao prender moléculas de gás, a membrana pode atuar como estabilizador de eletrólitos voláteis".

O novo separador pode melhorar o desempenho da bateria em temperaturas ultrabaixas. A célula da bateria usando o diafragma pode operar a menos 40°C e a capacidade pode chegar a 500 miliamperes horas por grama, enquanto a bateria de diafragma comercial tem energia quase zero neste caso. Os pesquisadores dizem que, mesmo que seja deixado sem uso por dois meses, a capacidade da célula da bateria ainda é alta. Esse desempenho mostra que o diafragma também pode prolongar a vida útil do armazenamento. Essa descoberta permite que os pesquisadores alcancem ainda mais seu objetivo: produzir baterias que possam fornecer eletricidade para veículos em ambientes gelados, como naves espaciais, satélites e navios de alto mar.

Esta pesquisa é baseada em um estudo no laboratório de Ying Shirley Meng, professor de nanoengenharia da Universidade da Califórnia, em San Diego. Esta pesquisa usa um eletrólito de gás liquefeito específico para desenvolver uma bateria que pode manter um bom desempenho em um ambiente de menos 60°C pela primeira vez. Entre eles, o eletrólito de gás liquefeito é um gás que se liquefaz por aplicação de pressão e é mais resistente a baixas temperaturas do que os eletrólitos líquidos tradicionais.

Mas esse tipo de eletrólito tem um defeito; é fácil mudar de líquido para gás. Chen disse: "Este problema é o maior problema de segurança para este eletrólito." A pressão precisa ser aumentada para condensar as moléculas líquidas e manter o eletrólito em estado líquido para usar o eletrólito.

O laboratório de Chen colaborou com Meng e Tod Pascal, professor de nanoengenharia da Universidade da Califórnia, em San Diego, para resolver esse problema. Ao combinar a experiência de especialistas em computação como Pascal com pesquisadores como Chen e Meng, foi desenvolvido um método para liquefazer o eletrólito vaporizado sem aplicar muita pressão rapidamente. O pessoal mencionado acima é afiliado ao Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC) da Universidade da Califórnia, San Diego.

Este método toma emprestado de um fenômeno físico no qual as moléculas de gás se condensam espontaneamente quando presas em minúsculos espaços em nanoescala. Esse fenômeno é chamado de condensação capilar, que pode fazer com que o gás se torne líquido a uma pressão mais baixa. A equipe de pesquisa usou esse fenômeno para construir um separador de bateria que pode estabilizar o eletrólito em baterias de temperatura ultrabaixa, um eletrólito de gás liquefeito feito de gás fluorometano. Os pesquisadores usaram um material cristalino poroso chamado estrutura metal-orgânica (MOF) para criar a membrana. A única coisa sobre o MOF é que ele é cheio de poros minúsculos, que podem prender moléculas de gás fluorometano e condensá-las a uma pressão relativamente baixa. Por exemplo, o fluorometano geralmente encolhe a menos 30°C e tem uma força de 118 psi; mas se o MOF for usado, a pressão de condensação do poroso na mesma temperatura é de apenas 11 psi.

Chen disse: "Este MOF reduz significativamente a pressão necessária para o eletrólito funcionar. Portanto, nossa bateria pode fornecer uma grande capacidade em baixas temperaturas sem degradação". Os pesquisadores testaram um separador baseado em MOF em uma bateria de íons de lítio. . A bateria de íons de lítio consiste em um cátodo de fluorocarbono e um ânodo de metal de lítio. Ele pode preenchê-lo com um eletrólito gasoso de fluorometano a uma pressão interna de 70 psi, muito inferior à pressão necessária para liquefazer o fluorometano. A bateria ainda pode manter 57% de sua capacidade de temperatura ambiente a menos 40°C. Em contraste, na mesma temperatura e pressão, a potência de uma bateria de diafragma comercial usando um eletrólito gasoso contendo fluorometano é quase zero.

Os microporos baseados no separador MOF são a chave porque esses microporos podem manter mais eletrólitos fluindo na bateria mesmo sob pressão reduzida. O diafragma comercial tem poros grandes e não pode reter moléculas de eletrólitos gasosos sob pressão reduzida. Mas a microporosidade não é a única razão pela qual o diafragma funciona bem nessas condições. O diafragma projetado pelos pesquisadores também permite que os poros formem um caminho contínuo de uma extremidade à outra, garantindo assim que os íons de lítio possam fluir livremente através do diafragma. No teste, a condutividade iônica da bateria usando o novo diafragma a menos 40°C é dez vezes a da bateria usando o diafragma comercial.

A equipe de Chen está atualmente testando separadores baseados em MOF em outros eletrólitos. Chen disse: "Vimos efeitos semelhantes. Ao usar este MOF como estabilizador, várias moléculas de eletrólitos podem ser adsorvidas para melhorar a segurança da bateria, incluindo baterias de lítio tradicionais com eletrólitos voláteis".

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