מהנדסים פיתחו מפריד שמייצב אלקטרוליטים גזים כדי להפוך סוללות בטמפרטורה נמוכה במיוחד לבטוחה יותר

לפי דיווחים בתקשורת זרה, מהנדסי ננו באוניברסיטת קליפורניה בסן דייגו פיתחו מפריד סוללות שיכול לשמש מחסום בין הקתודה לאנודה כדי למנוע מהאלקטרוליט הגזי בסוללה להתאדות. הסרעפת החדשה מונעת מהלחץ הפנימי של הסופה להצטבר, ובכך מונעת מהסוללה להתנפח ולהתפוצץ.

מוביל המחקר, ג'נג צ'ן, פרופסור להנדסת ננו בבית הספר להנדסה ג'ייקובס באוניברסיטת קליפורניה, סן דייגו, אמר: "על ידי לכידת מולקולות גז, הממברנה יכולה לשמש כמייצב לאלקטרוליטים נדיפים".

המפריד החדש יכול לשפר את ביצועי הסוללה בטמפרטורות נמוכות במיוחד. תא הסוללה המשתמש בדאפרגמה יכול לפעול במינוס 40 מעלות צלזיוס, והקיבולת יכולה להגיע עד 500 מיליאמפר שעות לגרם, בעוד שלסוללת הסרעפת המסחרית יש כמעט אפס הספק במקרה זה. חוקרים אומרים שגם אם הוא לא נעשה בו שימוש במשך חודשיים, קיבולת תאי הסוללה עדיין גבוהה. ביצועים אלה מראים שהדיאפרגמה יכולה גם להאריך את חיי האחסון. התגלית הזו מאפשרת לחוקרים להשיג את מטרתם עוד יותר: לייצר סוללות שיכולות לספק חשמל לכלי רכב בסביבות קפואות, כמו חלליות, לוויינים וספינות ים עמוקות.

מחקר זה מבוסס על מחקר במעבדה של יינג שירלי מנג, פרופסור להנדסת ננו באוניברסיטת קליפורניה, סן דייגו. מחקר זה משתמש באלקטרוליט גז נוזלי מסוים כדי לפתח סוללה שיכולה לשמור על ביצועים טובים בסביבה מינוס 60 מעלות צלזיוס בפעם הראשונה. ביניהם, אלקטרוליט הגז הנוזלי הוא גז שמנוזל על ידי הפעלת לחץ ועמיד יותר לטמפרטורות נמוכות מאלקטרוליטים נוזליים מסורתיים.

אבל לסוג זה של אלקטרוליט יש פגם; קל לשנות מנוזל לגז. חן אמר: "בעיה זו היא בעיית הבטיחות הגדולה ביותר עבור האלקטרוליט הזה". יש להגביר את הלחץ כדי לעבות את מולקולות הנוזל ולהשאיר את האלקטרוליט במצב נוזלי כדי להשתמש באלקטרוליט.

המעבדה של צ'ן שיתפה פעולה עם מנג וטוד פסקל, פרופסור להנדסת ננו באוניברסיטת קליפורניה, סן דייגו, כדי לפתור בעיה זו. על ידי שילוב המומחיות של מומחי מחשוב כמו פסקל עם חוקרים כמו צ'ן ומנג, פותחה שיטה להנזלת האלקטרוליט המאוד מבלי להפעיל יותר מדי לחץ במהירות. הצוות שהוזכר לעיל קשור למרכז למדע והנדסה של חומרים (MRSEC) של אוניברסיטת קליפורניה, סן דייגו.

שיטה זו שואלת מתופעה פיזיקלית שבה מולקולות גז מתעבות באופן ספונטני כשהן נלכדות בחללים זעירים בקנה מידה ננו. תופעה זו נקראת עיבוי נימי, שעלול לגרום לגז להפוך לנוזל בלחץ נמוך יותר. צוות המחקר השתמש בתופעה זו כדי לבנות מפריד סוללות שיכול לייצב את האלקטרוליט בסוללות בטמפרטורה נמוכה במיוחד, אלקטרוליט גז נוזלי העשוי מגז פלואו-מתאן. החוקרים השתמשו בחומר גבישי נקבובי הנקרא מסגרת מתכת-אורגנית (MOF) כדי ליצור את הממברנה. הדבר הייחודי ב-MOF הוא שהוא מלא בנקבוביות זעירות, שיכולות ללכוד מולקולות גז פלואו-מתאן ולעבות אותן בלחץ נמוך יחסית. לדוגמה, פלואורומתאן בדרך כלל מתכווץ במינוס 30 מעלות צלזיוס ובעל כוח של 118 psi; אבל אם נעשה שימוש ב-MOF, לחץ העיבוי של נקבובי באותה טמפרטורה הוא רק 11 psi.

חן אמר: "MOF זה מפחית משמעותית את הלחץ הנדרש כדי שהאלקטרוליט יעבוד. לכן, הסוללה שלנו יכולה לספק כמות גדולה של קיבולת בטמפרטורות נמוכות ללא פירוק". החוקרים בדקו מפריד מבוסס MOF בסוללת ליתיום-יון. . סוללת הליתיום-יון מורכבת מקתודה פלואורו-פחמן ואנודת מתכת ליתיום. זה יכול למלא אותו באלקטרוליט פלואורומתאן גז בלחץ פנימי של 70 psi, נמוך בהרבה מהלחץ הנדרש להנזלת פלואורומתאן. הסוללה עדיין יכולה לשמור על 57% מקיבולת טמפרטורת החדר שלה במינוס 40 מעלות צלזיוס. לעומת זאת, באותה טמפרטורה ולחץ, ההספק של סוללת דיאפרגמה מסחרית המשתמשת באלקטרוליט גז המכיל פלואו-מתאן הוא כמעט אפס.

המיקרו-נקבים המבוססים על מפריד MOF הם המפתח מכיוון שהמיקרו-נקבוביות הללו יכולות לשמור על זרימת אלקטרוליטים נוספים בסוללה אפילו בלחץ מופחת. לסרעפת המסחרית יש נקבוביות גדולות ואינה יכולה לשמור מולקולות אלקטרוליט גזיות בלחץ מופחת. אבל מיקרופורוזיות היא לא הסיבה היחידה שהסרעפת פועלת היטב בתנאים אלה. הסרעפת שתכננו החוקרים מאפשרת גם לנקבוביות ליצור נתיב רציף מקצה אחד לקצה השני, ובכך להבטיח שיוני ליתיום יכולים לזרום בחופשיות דרך הסרעפת. בבדיקה, המוליכות היונית של הסוללה באמצעות הדיאפרגמה החדשה במינוס 40 מעלות צלזיוס היא פי עשרה מזו של הסוללה המשתמשת בדאפרגמה המסחרית.

הצוות של חן בוחן כעת מפרידים מבוססי MOF על אלקטרוליטים אחרים. צ'ן אמר: "ראינו השפעות דומות. על ידי שימוש ב-MOF זה כמייצב, ניתן לספוח מולקולות אלקטרוליטים שונות כדי לשפר את בטיחות הסוללה, כולל סוללות ליתיום מסורתיות עם אלקטרוליטים נדיפים".