工程师开发出一种可稳定气态电解质的隔膜，使超低温电池更安全

据外媒报道，美国加州大学圣地亚哥分校的纳米工程师研发出一种电池隔膜，可以作为正极和负极之间的屏障，防止电池中的气态电解质蒸发。 新的隔膜可以防止风暴的内部压力积聚，从而防止电池膨胀和爆炸。

研究负责人、加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院纳米工程教授郑晨说：“通过捕获气体分子，膜可以作为挥发性电解质的稳定剂。”

新型隔膜可以提高电池在超低温下的性能。 使用隔膜的电池可以在-40°C下工作，容量可以高达每克500毫安时，而商用隔膜电池在这种情况下几乎为零功率。 研究人员表示，即使闲置两个月，电池容量仍然很高。 这一性能表明，隔膜还可以延长储存寿命。 这一发现使研究人员能够进一步实现他们的目标：生产可以为冰冷环境中的车辆提供电力的电池，例如航天器、卫星和深海船只。

这项研究基于加州大学圣地亚哥分校纳米工程教授 Ying Shirley Meng 实验室的一项研究。 该研究首次使用一种特殊的液化气电解质开发出能够在-60°C环境下保持良好性能的电池。 其中，液化气电解液是一种通过加压液化的气体，比传统的液态电解液更耐低温。

但是这种电解液有一个缺陷； 从液体变为气体很容易。 陈说：“这个问题是这个电解液最大的安全问题。” 需要增加压力以使液体分子凝结并保持电解液处于液态以使用电解液。

陈的实验室与加州大学圣地亚哥分校的纳米工程教授孟和托德帕斯卡合作解决了这个问题。 通过将 Pascal 等计算专家的专业知识与 Chen 和 Meng 等研究人员相结合，已开发出一种无需快速施加太大压力即可液化汽化电解质的方法。 上述人员隶属于加州大学圣地亚哥分校材料研究科学与工程中心（MRSEC）。

这种方法借鉴了一种物理现象，即气体分子被困在微小的纳米级空间中时会自发凝结。 这种现象称为毛细管冷凝，它可以使气体在较低的压力下变成液体。 研究小组利用这一现象构建了一种电池隔膜，可以稳定超低温电池中的电解液，一种由氟甲烷气体制成的液化气电解液。 研究人员使用一种称为金属有机框架 (MOF) 的多孔结晶材料来制造膜。 MOF的独特之处在于它充满了微小的孔隙，可以捕获氟甲烷气体分子并在相对较低的压力下将其冷凝。 例如，氟甲烷通常在 -30°C 时收缩并具有 118 psi 的力； 但如果使用MOF，相同温度下多孔的冷凝压力仅为11 psi。

Chen 说：“这种 MOF 显着降低了电解质工作所需的压力。因此，我们的电池可以在低温下提供大量容量而不会退化。” 研究人员在锂离子电池中测试了基于 MOF 的隔膜。 . 锂离子电池由碳氟化合物正极和锂金属负极组成。 它可以在内部压力为 70 psi 的情况下填充气态氟甲烷电解质，远低于液化氟甲烷所需的压力。 电池在负 57°C 时仍可保持 40% 的室温容量。 相比之下，在相同的温度和压力下，使用含有氟甲烷的气态电解质的商用隔膜电池的功率几乎为零。

基于 MOF 隔膜的微孔是关键，因为即使在减压的情况下，这些微孔也可以保持更多的电解液在电池中流动。 商业隔膜具有大孔并且不能在减压下保留气态电解质分子。 但微孔并不是隔膜在这些条件下工作良好的唯一原因。 研究人员设计的隔膜还允许孔隙形成从一端到另一端的连续路径，从而确保锂离子可以自由流动通过隔膜。 在测试中，使用新型隔膜的电池在-40℃时的离子电导率是使用商用隔膜的电池的十倍。

Chen 的团队目前正在其他电解质上测试基于 MOF 的隔膜。 陈说：“我们已经看到了类似的效果。通过使用这种MOF作为稳定剂，可以吸附各种电解质分子以提高电池安全性，包括具有挥发性电解质的传统锂电池。”