Gli ingegneri hanno sviluppato un separatore che stabilizza gli elettroliti gassosi per rendere più sicure le batterie a bassissima temperatura

Secondo i resoconti dei media stranieri, i nano ingegneri dell'Università della California di San Diego hanno sviluppato un separatore di batteria che può fungere da barriera tra il catodo e l'anodo per impedire la vaporizzazione dell'elettrolita gassoso nella batteria. Il nuovo diaframma impedisce l'accumulo della pressione interna della tempesta, impedendo così alla batteria di gonfiarsi ed esplodere.

Il leader della ricerca, Zheng Chen, professore di nanoingegneria presso la Jacobs School of Engineering dell'Università della California, a San Diego, ha dichiarato: "Intrappolando le molecole di gas, la membrana può fungere da stabilizzatore per gli elettroliti volatili".

Il nuovo separatore può migliorare le prestazioni della batteria a temperature ultra basse. La cella della batteria che utilizza il diaframma può funzionare a meno 40°C e la capacità può raggiungere i 500 milliampere-ora per grammo, mentre la batteria a diaframma commerciale in questo caso ha una potenza quasi nulla. I ricercatori affermano che anche se viene lasciato inutilizzato per due mesi, la capacità delle celle della batteria è comunque elevata. Questa prestazione mostra che il diaframma può anche prolungare la durata di conservazione. Questa scoperta consente ai ricercatori di raggiungere ulteriormente il loro obiettivo: produrre batterie in grado di fornire elettricità per veicoli in ambienti ghiacciati, come veicoli spaziali, satelliti e navi d'alto mare.

Questa ricerca si basa su uno studio nel laboratorio di Ying Shirley Meng, professore di nanoingegneria all'Università della California, San Diego. Questa ricerca utilizza un particolare elettrolita di gas liquefatto per sviluppare una batteria in grado di mantenere buone prestazioni in un ambiente a meno 60°C per la prima volta. Tra questi, l'elettrolita gassoso liquefatto è un gas che viene liquefatto applicando pressione ed è più resistente alle basse temperature rispetto agli elettroliti liquidi tradizionali.

Ma questo tipo di elettrolita ha un difetto; è facile passare da liquido a gas. Chen ha detto: "Questo problema è il più grande problema di sicurezza per questo elettrolita". La pressione deve essere aumentata per condensare le molecole liquide e mantenere l'elettrolita in uno stato liquido per utilizzare l'elettrolita.

Il laboratorio di Chen ha collaborato con Meng e Tod Pascal, professore di nanoingegneria all'Università della California, a San Diego, per risolvere questo problema. Combinando l'esperienza di esperti informatici come Pascal con ricercatori come Chen e Meng, è stato sviluppato un metodo per liquefare l'elettrolita vaporizzato senza applicare troppa pressione rapidamente. Il personale di cui sopra è affiliato al Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC) dell'Università della California, San Diego.

Questo metodo prende in prestito da un fenomeno fisico in cui le molecole di gas si condensano spontaneamente quando intrappolate in minuscoli spazi su scala nanometrica. Questo fenomeno è chiamato condensazione capillare, che può far diventare liquido il gas a una pressione più bassa. Il team di ricerca ha utilizzato questo fenomeno per costruire un separatore di batterie in grado di stabilizzare l'elettrolita nelle batterie a bassissima temperatura, un elettrolita di gas liquefatto costituito da gas fluorometano. I ricercatori hanno utilizzato un materiale cristallino poroso chiamato struttura metallo-organica (MOF) per creare la membrana. La particolarità del MOF è che è pieno di minuscoli pori, che possono intrappolare le molecole di gas fluorometano e condensarle a una pressione relativamente bassa. Ad esempio, il fluorometano di solito si restringe a meno 30°C e ha una forza di 118 psi; ma se si utilizza MOF, la pressione di condensazione del poroso alla stessa temperatura è di soli 11 psi.

Chen ha affermato: "Questo MOF riduce significativamente la pressione richiesta per il funzionamento dell'elettrolita. Pertanto, la nostra batteria può fornire una grande quantità di capacità a basse temperature senza degradazione". I ricercatori hanno testato un separatore basato su MOF in una batteria agli ioni di litio. . La batteria agli ioni di litio è composta da un catodo fluorocarbon e un anodo metallico al litio. Può riempirlo con un elettrolita fluorometano gassoso a una pressione interna di 70 psi, molto inferiore alla pressione richiesta per la liquefazione del fluorometano. La batteria può ancora mantenere il 57% della sua capacità a temperatura ambiente a meno 40°C. Al contrario, alla stessa temperatura e pressione, la potenza di una batteria a diaframma commerciale che utilizza un elettrolita gassoso contenente fluorometano è quasi zero.

I micropori basati sul separatore MOF sono la chiave perché questi micropori possono mantenere più elettroliti che scorrono nella batteria anche a pressione ridotta. Il diaframma commerciale ha pori dilatati e non può trattenere le molecole di elettrolita gassoso a pressione ridotta. Ma la microporosità non è l'unico motivo per cui il diaframma funziona bene in queste condizioni. Il diaframma progettato dai ricercatori consente inoltre ai pori di formare un percorso continuo da un'estremità all'altra, assicurando così che gli ioni di litio possano fluire liberamente attraverso il diaframma. Nel test, la conducibilità ionica della batteria che utilizza il nuovo diaframma a meno 40°C è dieci volte quella della batteria che utilizza il diaframma commerciale.

Il team di Chen sta attualmente testando separatori a base di MOF su altri elettroliti. Chen ha detto: "Abbiamo visto effetti simili. Usando questo MOF come stabilizzatore, varie molecole di elettroliti possono essere adsorbite per migliorare la sicurezza della batteria, comprese le tradizionali batterie al litio con elettroliti volatili".