Các kỹ sư đã phát triển một thiết bị phân tách giúp ổn định các chất điện phân dạng khí để làm cho pin ở nhiệt độ cực thấp an toàn hơn

Theo báo chí nước ngoài, các kỹ sư nano tại Đại học California San Diego đã phát triển một thiết bị phân tách pin có thể hoạt động như một rào cản giữa cực âm và cực dương để ngăn chất điện phân dạng khí trong pin bốc hơi. Màng ngăn mới ngăn áp suất bên trong của cơn bão tích tụ, do đó ngăn pin bị phồng và phát nổ.

Trưởng nhóm nghiên cứu, Zheng Chen, giáo sư kỹ thuật nano tại Trường Kỹ thuật Jacobs thuộc Đại học California, San Diego, cho biết: "Bằng cách bẫy các phân tử khí, màng có thể hoạt động như một chất ổn định cho các chất điện phân dễ bay hơi."

Bộ phân tách mới có thể cải thiện hiệu suất của pin ở nhiệt độ cực thấp. Tế bào pin sử dụng màng ngăn có thể hoạt động ở nhiệt độ âm 40 ° C và công suất có thể lên tới 500 miliampe giờ mỗi gam, trong khi pin thương mại có màng chắn gần như bằng không trong trường hợp này. Các nhà nghiên cứu nói rằng ngay cả khi nó không được sử dụng trong hai tháng, dung lượng pin vẫn còn cao. Hiệu suất này cho thấy màng ngăn cũng có thể kéo dài tuổi thọ lưu trữ. Khám phá này cho phép các nhà nghiên cứu đạt được mục tiêu xa hơn: sản xuất pin có thể cung cấp điện cho các phương tiện trong môi trường băng giá, chẳng hạn như tàu vũ trụ, vệ tinh và tàu biển sâu.

Nghiên cứu này dựa trên nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của Ying Shirley Meng, giáo sư kỹ thuật nano tại Đại học California, San Diego. Nghiên cứu này sử dụng một chất điện phân khí hóa lỏng đặc biệt để phát triển một loại pin có thể duy trì hiệu suất tốt trong môi trường âm 60 ° C lần đầu tiên. Trong số đó, máy điện phân khí hóa lỏng là chất khí được hóa lỏng bằng cách tạo áp suất và có khả năng chịu nhiệt độ thấp hơn so với máy điện giải lỏng truyền thống.

Nhưng loại chất điện phân này có một khiếm khuyết; nó rất dễ chuyển từ thể lỏng sang thể khí. Chen nói: "Vấn đề này là vấn đề an toàn lớn nhất đối với chất điện phân này." Cần tăng áp suất để ngưng tụ các phân tử chất lỏng và giữ bình điện phân ở trạng thái lỏng để dùng chất điện phân.

Phòng thí nghiệm của Chen đã hợp tác với Meng và Tod Pascal, giáo sư kỹ thuật nano tại Đại học California, San Diego, để giải quyết vấn đề này. Bằng cách kết hợp chuyên môn của các chuyên gia máy tính như Pascal với các nhà nghiên cứu như Chen và Meng, một phương pháp đã được phát triển để hóa lỏng chất điện phân hóa hơi mà không cần áp dụng quá nhiều áp suất một cách nhanh chóng. Các nhân sự được đề cập ở trên có liên kết với Trung tâm Khoa học và Kỹ thuật Nghiên cứu Vật liệu (MRSEC) của Đại học California, San Diego.

Phương pháp này vay mượn từ một hiện tượng vật lý trong đó các phân tử khí ngưng tụ một cách tự nhiên khi bị mắc kẹt trong các không gian quy mô nano cực nhỏ. Hiện tượng này được gọi là sự ngưng tụ mao dẫn, có thể làm cho chất khí trở thành chất lỏng ở áp suất thấp hơn. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng hiện tượng này để chế tạo một thiết bị phân tách pin có thể ổn định chất điện phân trong pin nhiệt độ cực thấp, một chất điện phân khí hóa lỏng được làm bằng khí fluoromethane. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng một vật liệu tinh thể xốp được gọi là khung hữu cơ kim loại (MOF) để tạo ra màng. Điểm độc đáo của MOF là nó chứa đầy những lỗ nhỏ li ti, có thể bẫy các phân tử khí fluoromethane và ngưng tụ chúng ở áp suất tương đối thấp. Ví dụ, fluoromethane thường co lại ở âm 30 ° C và có lực 118 psi; nhưng nếu sử dụng MOF, áp suất ngưng tụ của xốp ở cùng nhiệt độ chỉ là 11 psi.

Chen cho biết: "MOF này làm giảm đáng kể áp suất cần thiết để chất điện phân hoạt động. Do đó, pin của chúng tôi có thể cung cấp một lượng lớn dung lượng ở nhiệt độ thấp mà không bị suy giảm". Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm một bộ phân tách dựa trên MOF trong một pin lithium-ion. . Pin lithium-ion bao gồm một cực âm fluorocarbon và một cực dương kim loại lithium. Nó có thể lấp đầy nó bằng chất điện phân fluoromethane dạng khí ở áp suất bên trong 70 psi, thấp hơn nhiều so với áp suất cần thiết để hóa lỏng fluoromethane. Pin vẫn có thể duy trì 57% dung lượng nhiệt độ phòng ở âm 40 ° C. Ngược lại, ở cùng nhiệt độ và áp suất, công suất của pin màng ngăn thương mại sử dụng chất điện phân dạng khí có chứa fluoromethane gần như bằng không.

Các vi hạt dựa trên bộ phân tách MOF là chìa khóa vì các vi hạt này có thể giữ cho nhiều chất điện phân chảy hơn trong pin ngay cả khi áp suất giảm. Màng ngăn thương mại có lỗ rỗng lớn và không thể giữ lại các phân tử chất điện ly ở dạng khí dưới áp suất giảm. Nhưng vi xốp không phải là lý do duy nhất khiến màng ngăn hoạt động tốt trong những điều kiện này. Màng ngăn được thiết kế bởi các nhà nghiên cứu cũng cho phép các lỗ chân lông tạo thành một đường dẫn liên tục từ đầu này đến đầu kia, do đó đảm bảo rằng các ion liti có thể chảy tự do qua màng ngăn. Trong thử nghiệm, độ dẫn ion của pin sử dụng màng ngăn mới ở nhiệt độ âm 40 ° C cao gấp mười lần so với pin sử dụng màng ngăn thương mại.

Nhóm của Chen hiện đang thử nghiệm chất phân tách dựa trên MOF trên các chất điện phân khác. Chen cho biết: "Chúng tôi đã thấy những hiệu ứng tương tự. Bằng cách sử dụng MOF này làm chất ổn định, các phân tử chất điện phân khác nhau có thể được hấp thụ để cải thiện độ an toàn của pin, bao gồm cả pin lithium truyền thống với chất điện phân dễ bay hơi."