稳定气体电解质可以使超低温电池更安全

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电池分离器的艺术渲染，将气体电解质在低得多的压力下冷凝成液体。这种新型隔膜通过保持更多的电解质和锂离子在电池中流动，提高了电池的安全性和在极寒环境下的性能。来源:陈集团

一项新技术可以极大地提高锂离子电池的安全性，这种电池在超低温下使用气体电解质。加州大学圣地亚哥分校的纳米工程师开发了一种隔膜——电池的一部分，作为阳极和阴极之间的屏障——可以防止这些电池中的气体电解质蒸发。反过来，这种新的隔膜可以帮助防止电池内部压力的积聚，从而导致膨胀和爆炸。

“通过捕获气体分子，这种分离器可以作为挥发性电解质的稳定剂，”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陈说，他领导了这项研究。

新的隔膜还提高了电池在超低温下的性能。使用新型隔膜制造的电池在-40℃下可以运行500毫安小时/克的高容量，而使用商用隔膜制造的电池几乎没有任何容量。研究人员说，即使在闲置两个月后，电池仍然表现出高容量，这是一个有希望的迹象，表明新的隔膜也可以延长保质期。

研究小组于6月7日发表了他们的研究结果自然通讯．

这一进展使研究人员离制造锂离子电池又近了一步，锂离子电池可以在极寒环境下为航天器、卫星和深海船只提供动力。

这项工作建立在先前研究发表于科学由加州大学圣地亚哥分校纳米工程教授雪莉的实验室孟，这是第一个报告的发展锂离子电池在零下60摄氏度的低温下也能正常工作．使这些电池特别耐寒的是，它们使用了一种特殊的电解质，称为液化气体电解质，这是一种通过施加压力而液化的气体。它比传统的液体电解质更耐冻结。

但这也有不利的一面。液化气电解质有很高的从液体变成气体的趋势。“这是这些电解质最大的安全问题，”陈说。为了使用它们，必须施加很大的压力来冷凝气体分子，并使电解质保持液态。

为了解决这个问题，Chen的实验室与孟和加州大学圣地亚哥分校的纳米工程教授Tod Pascal合作，开发了一种轻松液化这些气体电解质的方法，而无需施加如此大的压力。这一进步是通过将帕斯卡等计算专家的专业知识与陈和孟等实验专家的专业知识结合起来实现的，他们都是加州大学圣地亚哥分校的一部分材料研究科学与工程中心“，(MRSEC)。

他们的方法利用了一种物理现象，即当气体分子被困在微小的纳米空间中时，会自发凝结。这种现象被称为毛细管凝结，能使气体在低得多的压力下变成液体。

研究小组利用这一现象构建了一种电池分离器，可以稳定超低温电池中的电解质——一种由氟甲烷气体制成的液化气体电解质。研究人员用一种叫做金属有机框架(MOF)的多孔晶体材料制造了隔膜。MOF的特别之处在于它充满了微小的孔隙，能够捕获氟甲烷气体分子，并在相对较低的压力下冷凝它们。例如，氟甲烷通常在-30℃的118 psi压力下凝结;但在MOF中，它在相同温度下的冷凝压力仅为11 psi。

Chen说:“这种MOF显著降低了电解液工作所需的压力。”“因此，我们的电池在低温下也能提供大量的容量，而且没有退化。”

研究人员在锂离子电池中测试了基于mof的隔膜，锂离子电池由氟化碳阴极和锂金属阳极组成，充满氟甲烷气体电解质，内部压力为70 psi，这远远低于液化氟甲烷所需的压力。在-40℃时，电池保留了57%的室温容量。相比之下，在相同的温度和压力下，使用商用分离器的电池几乎没有氟甲烷气体电解质的容量。

基于mof的隔膜的微小孔隙是关键，因为即使在压力降低的情况下，它们也能保持更多的电解质在电池中流动。另一方面，商用分离器具有较大的孔隙，不能在减压下保留气体电解质分子。

但微小的孔隙并不是分离器在这些条件下工作得如此出色的唯一原因。研究人员设计了分离器，使孔隙从一端到另一端形成连续的路径。这确保了锂离子仍然可以自由地流过分离器。在测试中，使用新型隔膜的电池在-40℃时的离子电导率比使用商用隔膜的电池高10倍。

Chen的团队现在正在其他电解质上测试基于mof的分离器。“我们看到了类似的影响。我们可以使用这种MOF作为稳定剂，吸附各种电解质分子，提高传统锂电池的安全性，因为传统锂电池也有挥发性电解质。”

:“亚纳米约束使低温电池的气体电解质易于冷凝合著者包括蔡国瑞*、尹义杰*、夏大伟*、Amanda A. Chen、John Holoubek、Jonathan Scharf、杨宇晨、kki Kwan Koh、李明倩、Daniel M. Davies和Matthew Mayer，加州大学圣地亚哥分校;韩泰熙，汉阳大学，首尔，韩国。

这些作者对这项工作的贡献相同

这项工作得到了NASA空间技术研究资助计划(ECF 80NSSC18K1512)、国家科学基金会通过加州大学圣地亚哥分校材料研究科学与工程中心(MRSEC，资助DMR-2011924)和加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院的启动资金的支持。这项工作部分是在加州大学圣地亚哥分校的圣地亚哥纳米技术基础设施(SDNI)进行的，该基础设施是国家纳米技术协调基础设施的成员，由国家科学基金会(授予ECCS-1542148)支持。本研究使用了国家资源

能源研究科学计算中心是美国能源部科学办公室的一个科学用户设施，由美国能源部科学办公室支持。DE-AC02-05CH11231。这项工作还使用了极端科学和工程发现环境(XSEDE)，以及圣地亚哥超级计算中心的彗星和浩瀚超级计算机，该中心由国家科学基金会(授予ACI-1548562)支持。