Een nieuwe technologie zou de veiligheid van lithium-ionbatterijen die werken met gaselektrolyten bij ultralage temperaturen dramatisch kunnen verbeteren. Nano-ingenieurs van de Universiteit van Californië in San Diego hebben een separator ontwikkeld – het deel van de batterij dat dient als barrière tussen de anode en kathode – die ervoor zorgt dat de gasgebaseerde elektrolyten in deze batterijen niet verdampen. Deze nieuwe separator zou op zijn beurt de opbouw van druk in de batterij kunnen helpen voorkomen, wat tot zwelling en explosies leidt.

“Door gasmoleculen op te sluiten, kan deze separator functioneren als stabilisator voor vluchtige elektrolyten”, zegt Zheng Chen, hoogleraar nano-engineering aan de UC San Diego Jacobs School of Engineering die het onderzoek leidde.

De nieuwe separator verbeterde ook de prestaties van de batterij bij ultralage temperaturen. Batterijcellen gebouwd met de nieuwe separator werkten met een hoge capaciteit van 500 milliampère-uur per gram bij -40 C, terwijl batterijen gebouwd met een commerciële separator vrijwel geen capaciteit vertoonden. De batterijcellen vertoonden nog steeds een hoge capaciteit, zelfs nadat ze twee maanden ongebruikt waren gebleven – een veelbelovend teken dat de nieuwe separator ook de houdbaarheid zou kunnen verlengen, aldus de onderzoekers.

Het team publiceerde hun bevindingen op 7 juni in Nature Communications.

De vooruitgang brengt onderzoekers een stap dichter bij het bouwen van lithium-ionbatterijen die voertuigen in de extreme kou kunnen aandrijven, zoals ruimtevaartuigen, satellieten en diepzeeschepen.

Dit werk bouwt voort op een eerdere studie gepubliceerd in Wetenschap door het laboratorium van professor nanotechniek Ying Shirley Meng van UC San Diego, dat als eerste de ontwikkeling rapporteerde van lithium-ionbatterijen die goed presteren bij temperaturen zo laag als -60 C. Wat deze batterijen bijzonder winterhard maakt, is dat ze een speciaal type elektrolyt, een elektrolyt met vloeibaar gas, een gas dat vloeibaar wordt gemaakt door druk uit te oefenen. Het is veel beter bestand tegen bevriezing dan een conventionele vloeibare elektrolyt.

Maar er is een keerzijde. Vloeibaar gemaakte gaselektrolyten hebben een sterke neiging om van vloeistof naar gas te gaan. “Dit is het grootste veiligheidsprobleem met deze elektrolyten”, zegt Chen. Om ze te kunnen gebruiken, moet er veel druk worden uitgeoefend om de gasmoleculen te condenseren en de elektrolyt in vloeibare vorm te houden.

Om dit probleem te bestrijden werkte het laboratorium van Chen samen met Meng en professor nano-engineering van UC San Diego, Tod Pascal, om een ​​manier te ontwikkelen om deze gasvormige elektrolyten gemakkelijk vloeibaar te maken zonder zoveel druk uit te oefenen. De vooruitgang werd mogelijk gemaakt door de expertise van computationele experts zoals Pascal te combineren met experimentatoren als Chen en Meng, die allemaal deel uitmaken van het UC San Diego Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC).

Hun aanpak maakt gebruik van een fysisch fenomeen waarbij gasmoleculen spontaan condenseren wanneer ze gevangen zitten in kleine ruimtes van nanometerformaat. Dit fenomeen, bekend als capillaire condensatie, zorgt ervoor dat een gas bij een veel lagere druk vloeibaar wordt.

Het team maakte gebruik van dit fenomeen om een ​​batterijscheider te bouwen die de elektrolyt in hun batterij met ultralage temperatuur zou stabiliseren: een vloeibaar gaselektrolyt gemaakt van fluormethaangas. De onderzoekers bouwden de separator uit een poreus, kristallijn materiaal dat een metaal-organisch raamwerk (MOF) wordt genoemd. Het bijzondere aan de MOF is dat deze gevuld is met kleine poriën die fluormethaangasmoleculen kunnen opvangen en bij relatief lage druk kunnen condenseren. Fluormethaan condenseert bijvoorbeeld doorgaans onder een druk van 118 psi bij -30 C; maar met de MOF condenseert het bij slechts 11 psi bij dezelfde temperatuur.

"Deze MOF vermindert aanzienlijk de druk die nodig is om de elektrolyt te laten werken", zegt Chen. “Als gevolg hiervan leveren onze batterijcellen een aanzienlijke hoeveelheid capaciteit bij lage temperaturen en vertonen ze geen degradatie.”

De onderzoekers testten de op MOF gebaseerde separator in lithium-ionbatterijcellen – gebouwd met een koolstoffluoridekathode en lithiummetaalanode – gevuld met fluormethaangaselektrolyt onder een interne druk van 70 psi, wat ruim onder de druk is die nodig is om fluormethaan vloeibaar te maken. De cellen behielden 57% van hun capaciteit bij kamertemperatuur bij -40 C. Cellen met een commerciële separator vertoonden daarentegen vrijwel geen capaciteit met fluormethaangaselektrolyt bij dezelfde temperatuur en druk.

De kleine poriën van de op MOF gebaseerde separator zijn van cruciaal belang omdat ze ervoor zorgen dat er meer elektrolyt in de batterij stroomt, zelfs onder verminderde druk. De commerciële separator daarentegen heeft grote poriën en kan de gaselektrolytmoleculen niet onder verminderde druk vasthouden.

Maar kleine poriën zijn niet de enige reden waarom de afscheider zo goed werkt onder deze omstandigheden. De onderzoekers hebben de separator zo ontworpen dat de poriën continue paden vormen van het ene uiteinde naar het andere. Dit zorgt ervoor dat lithiumionen nog steeds vrij door de afscheider kunnen stromen. In tests hadden batterijcellen met de nieuwe separator een 10 keer hogere ionische geleidbaarheid bij -40 C dan cellen met de commerciële separator.

Het team van Chen test nu de op MOF gebaseerde separator op andere elektrolyten. “We zien vergelijkbare effecten. We kunnen deze MOF gebruiken als stabilisator om verschillende soorten elektrolytmoleculen te adsorberen en de veiligheid te verbeteren, zelfs in traditionele lithiumbatterijen, die ook vluchtige elektrolyten bevatten.”

###

Paper: “Sub-nanometeropsluiting maakt gemakkelijke condensatie van gaselektrolyt voor lagetemperatuurbatterijen mogelijk.” Co-auteurs zijn onder meer Guorui Cai*, Yijie Yin*, Dawei Xia*, Amanda A. Chen, John Holoubek, Jonathan Scharf, Yangyuchen Yang, Ki Kwan Koh, Mingqian Li, Daniel M. Davies en Matthew Mayer, UC San Diego; en Tae Hee Han, Hanyang Universiteit, Seoul, Korea.

* Deze auteurs droegen in gelijke mate bij aan dit werk

Dit werk werd ondersteund door NASA's Space Technology Research Grants Program (ECF 80NSSC18K1512), de National Science Foundation via het UC San Diego Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC, subsidie ​​DMR-2011924) en opstartfondsen van de Jacobs School of Engineering aan de UC San Diego. Dit werk werd gedeeltelijk uitgevoerd bij de San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) bij UC San Diego, een lid van de National Nanotechnology Coulated Infrastructure, die wordt ondersteund door de National Science Foundation (subsidie ​​ECCS-1542148). Bij dit onderzoek is gebruik gemaakt van middelen van de National

Energy Research Scientific Computing Center, een DOE Office of Science User Facility ondersteund door het Office of Science van het Amerikaanse ministerie van Energie onder contractnummer DE-AC02-05CH11231. Bij dit werk werd ook gebruik gemaakt van de Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) en de supercomputers Comet en Expanse in het San Diego Supercomputing Center, dat wordt ondersteund door de National Science Foundation (subsidie ​​ACI-1548562).

Coinsmart. Beste Bitcoin-beurs in Europa
Bron: https://bioengineer.org/stabilizing-gassy-electrolytes-could-make-ultra-low-temperature-batteries-safer/