一項新技術(shù)可以顯著提高在超低溫下使用氣體電解質(zhì)運(yùn)行的鋰離子電池的安全性。加州大學(xué)圣地亞哥分校的納米工程師開發(fā)了一種隔板，它是電池的一部分，作為陽極和陰極之間的屏障，可以防止這些電池中的氣體電解質(zhì)汽化。反過來，這種新的隔板可以幫助防止電池內(nèi)部壓力積聚，從而導(dǎo)致膨脹和爆炸。

通過捕獲氣體分子，這種分離器可以作為揮發(fā)性電解質(zhì)的穩(wěn)定劑，領(lǐng)導(dǎo)這項研究的加州大學(xué)圣地亞哥分校雅各布斯工程學(xué)院納米工程教授鄭晨說。

新的隔膜還提高了超低溫下的電池性能。使用新隔膜構(gòu)建的電池在-40攝氏度下以每克500毫安小時的高容量運(yùn)行，而使用商用隔膜構(gòu)建的電池幾乎沒有容量。研究人員表示，即使在閑置兩個月后，電池仍表現(xiàn)出高容量，這是一個有希望的跡象，表明新隔板還可以延長保質(zhì)期。

在低得多的壓力下將氣體電解質(zhì)冷凝成液體的電池隔膜的藝術(shù)渲染。新的隔膜通過保持更多的電解質(zhì)和鋰離子在電池中流動，提高了電池在極冷條件下的安全性和性能。

該團(tuán)隊于6月7日在NatureCommunications上發(fā)表了他們的發(fā)現(xiàn)。

這一進(jìn)步使研究人員更接近于制造鋰離子電池，這些電池可以在極冷的情況下為航天器、衛(wèi)星和深海船只等車輛提供動力。

這項工作建立在加州大學(xué)圣地亞哥分校納米工程教授YingShirleyMeng實(shí)驗(yàn)室之前在《科學(xué)》雜志上發(fā)表的一項研究的基礎(chǔ)上，該研究首次報告了在低至-60攝氏度的溫度下性能良好的鋰離子電池的開發(fā)。使這些電池特別耐寒的原因是它們使用一種稱為液化氣電解質(zhì)的特殊類型的電解質(zhì)，這是一種通過施加壓力而液化的氣體。它比傳統(tǒng)的液體電解質(zhì)更耐冷凍。

但有一個缺點(diǎn)。液化氣電解質(zhì)很容易從液體變成氣體。這是這些電解質(zhì)最大的安全問題，陳說，為了使用它們，必須施加很大的壓力來冷凝氣體分子并使電解質(zhì)保持液態(tài)。

為了解決這個問題，Chen的實(shí)驗(yàn)室與Meng和加州大學(xué)圣地亞哥分校納米工程教授TodPascal合作，開發(fā)了一種無需施加太大壓力即可輕松液化這些含氣電解質(zhì)的方法。這一進(jìn)展是通過將Pascal等計算專家的專業(yè)知識與Chen和Meng等實(shí)驗(yàn)家的專業(yè)知識相結(jié)合，他們都是加州大學(xué)圣地亞哥分校材料研究科學(xué)與工程中心(MRSEC)的一部分。

他們的方法利用了一種物理現(xiàn)象，即氣體分子被困在納米級的微小空間中時會自發(fā)地凝結(jié)。這種現(xiàn)象稱為毛細(xì)管冷凝，可使氣體在低得多的壓力下變成液體。

該團(tuán)隊利用這種現(xiàn)象構(gòu)建了一種電池隔膜，可以穩(wěn)定超低溫電池中的電解質(zhì)，一種由氟甲烷氣體制成的液化氣電解質(zhì)。研究人員用一種稱為金屬有機(jī)框架(MOF)的多孔結(jié)晶材料制造了隔板。MOF的特別之處在于它充滿了微小的孔隙，能夠捕獲氟甲烷氣體分子并在相對較低的壓力下將它們冷凝。例如，氟甲烷通常在-30°C和118psi的壓力下冷凝；但是使用MOF，它在相同溫度下的冷凝壓力僅為11psi。

這種MOF顯著降低了使電解質(zhì)工作所需的壓力，陳說，因此，我們的電池在低溫下可提供大量容量，并且不會出現(xiàn)退化。

研究人員在鋰離子電池中測試了基于MOF的隔膜-由碳氟化物陰極和鋰金屬陽極構(gòu)成-在70psi的內(nèi)部壓力下填充了氟甲烷氣體電解質(zhì)，這遠(yuǎn)低于液化所需的壓力氟甲烷。電池在-40攝氏度時仍保持其室溫容量的57%。相比之下，在相同溫度和壓力下，使用含氟甲烷氣體電解質(zhì)的商用隔膜電池幾乎沒有容量。

基于MOF的隔膜的微孔是關(guān)鍵，因?yàn)樗鼈兛梢宰尭嗟碾娊庖涸陔姵刂辛鲃?，即使在減壓下也是如此。另一方面，商用隔板具有大孔，并且在減壓下不能保留氣體電解質(zhì)分子。

但微小的孔隙并不是分離器在這些條件下運(yùn)行良好的唯一原因。研究人員設(shè)計了分離器，使孔隙形成從一端到另一端的連續(xù)路徑。這確保了鋰離子仍然可以自由地流過隔膜。在測試中，采用新型隔膜的電池在-40℃時的離子電導(dǎo)率是采用商用隔膜的電池的10倍。

Chen的團(tuán)隊現(xiàn)在正在其他電解質(zhì)上測試基于MOF的隔膜。我們看到了類似的效果。我們可以使用這種MOF作為穩(wěn)定劑來吸附各種電解質(zhì)分子并提高安全性，即使在傳統(tǒng)的鋰電池中也是如此，這些電池也具有揮發(fā)性電解質(zhì)。