วิศวกรได้พัฒนาเครื่องแยกสารที่ทำให้อิเล็กโทรไลต์ของก๊าซมีความเสถียร เพื่อทำให้แบตเตอรี่ที่มีอุณหภูมิต่ำพิเศษมีความปลอดภัยมากขึ้น

ตามรายงานของสื่อต่างประเทศ วิศวกรระดับนาโนของมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานดิเอโก ได้พัฒนาเครื่องแยกแบตเตอรี่ที่สามารถทำหน้าที่เป็นอุปสรรคระหว่างแคโทดและแอโนดเพื่อป้องกันไม่ให้อิเล็กโทรไลต์ก๊าซในแบตเตอรี่กลายเป็นไอ ไดอะแฟรมใหม่ช่วยป้องกันแรงดันภายในของพายุไม่ให้สะสม จึงป้องกันแบตเตอรี่ไม่ให้บวมและระเบิด

Zheng Chen หัวหน้าฝ่ายวิจัย ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมนาโนที่ Jacobs School of Engineering แห่งมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานดิเอโก กล่าวว่า "การดักจับโมเลกุลของแก๊ส เมมเบรนสามารถทำหน้าที่เป็นตัวคงตัวสำหรับอิเล็กโทรไลต์ระเหยได้"

ตัวคั่นใหม่สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ได้ที่อุณหภูมิต่ำมาก เซลล์แบตเตอรี่ที่ใช้ไดอะแฟรมสามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิลบ 40°C และความจุอาจสูงถึง 500 มิลลิแอมแปร์ชั่วโมงต่อกรัม ในขณะที่แบตเตอรี่ไดอะแฟรมเชิงพาณิชย์มีพลังงานเกือบเป็นศูนย์ในกรณีนี้ นักวิจัยกล่าวว่าแม้ว่าจะไม่ได้ใช้งานเป็นเวลาสองเดือน แต่ความจุของเซลล์แบตเตอรี่ก็ยังสูงอยู่ ประสิทธิภาพนี้แสดงให้เห็นว่าไดอะแฟรมสามารถยืดอายุการเก็บรักษาได้ การค้นพบนี้ช่วยให้นักวิจัยบรรลุเป้าหมายต่อไป: เพื่อผลิตแบตเตอรี่ที่สามารถจ่ายกระแสไฟฟ้าให้กับยานพาหนะในสภาพแวดล้อมที่เป็นน้ำแข็ง เช่น ยานอวกาศ ดาวเทียม และเรือในทะเลลึก

งานวิจัยนี้มีพื้นฐานมาจากการศึกษาในห้องปฏิบัติการของ Ying Shirley Meng ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมนาโนที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานดิเอโก งานวิจัยนี้ใช้อิเล็กโทรไลต์ก๊าซเหลวโดยเฉพาะเพื่อพัฒนาแบตเตอรี่ที่สามารถรักษาประสิทธิภาพการทำงานที่ดีในสภาพแวดล้อมที่ติดลบ 60°C ได้เป็นครั้งแรก ในหมู่พวกเขา อิเล็กโทรไลต์ก๊าซเหลวเป็นก๊าซที่ถูกทำให้เป็นของเหลวโดยใช้แรงดันและทนต่ออุณหภูมิต่ำได้ดีกว่าอิเล็กโทรไลต์ของเหลวแบบเดิม

แต่อิเล็กโทรไลต์ชนิดนี้มีข้อบกพร่อง เปลี่ยนจากของเหลวเป็นแก๊สได้ง่าย Chen กล่าวว่า "ปัญหานี้เป็นปัญหาด้านความปลอดภัยที่ใหญ่ที่สุดสำหรับอิเล็กโทรไลต์นี้" ต้องเพิ่มแรงดันเพื่อควบแน่นโมเลกุลของเหลวและทำให้อิเล็กโทรไลต์อยู่ในสถานะของเหลวเพื่อใช้อิเล็กโทรไลต์

ห้องปฏิบัติการของ Chen ร่วมมือกับ Meng และ Tod Pascal ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมนาโนจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานดิเอโก เพื่อแก้ปัญหานี้ ด้วยการผสมผสานความเชี่ยวชาญของผู้เชี่ยวชาญด้านคอมพิวเตอร์ เช่น Pascal กับนักวิจัย เช่น Chen และ Meng ได้มีการพัฒนาวิธีการเพื่อทำให้อิเล็กโทรไลต์กลายเป็นไอโดยไม่ใช้แรงกดมากเกินไปอย่างรวดเร็ว บุคลากรที่กล่าวถึงข้างต้นมีความเกี่ยวข้องกับศูนย์วิทยาศาสตร์และวิศวกรรมการวิจัยวัสดุ (MRSEC) ของมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานดิเอโก

วิธีนี้ยืมมาจากปรากฏการณ์ทางกายภาพที่โมเลกุลของก๊าซควบแน่นตามธรรมชาติเมื่อติดอยู่ในพื้นที่ระดับนาโนขนาดเล็ก ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าการควบแน่นของเส้นเลือดฝอย ซึ่งทำให้ก๊าซกลายเป็นของเหลวที่ความดันต่ำ ทีมวิจัยใช้ปรากฏการณ์นี้เพื่อสร้างเครื่องแยกแบตเตอรี่ที่สามารถทำให้อิเล็กโทรไลต์เสถียรในแบตเตอรี่อุณหภูมิต่ำพิเศษ ซึ่งเป็นอิเล็กโทรไลต์ก๊าซเหลวที่ทำจากก๊าซฟลูออโรมีเทน นักวิจัยใช้วัสดุผลึกที่มีรูพรุนที่เรียกว่ากรอบโลหะอินทรีย์ (MOF) เพื่อสร้างเมมเบรน สิ่งพิเศษเกี่ยวกับกระทรวงการคลังคือ เต็มไปด้วยรูพรุนเล็กๆ ซึ่งสามารถดักจับโมเลกุลของก๊าซฟลูออโรมีเทนและควบแน่นที่ความดันที่ค่อนข้างต่ำ ตัวอย่างเช่น ฟลูออโรมีเทนมักจะหดตัวที่อุณหภูมิลบ 30°C และมีแรง 118 psi; แต่ถ้าใช้ MOF ความดันควบแน่นของรูพรุนที่อุณหภูมิเดียวกันจะอยู่ที่ 11 psi เท่านั้น

Chen กล่าวว่า "กระทรวงการคลังนี้ช่วยลดความดันที่จำเป็นสำหรับอิเล็กโทรไลต์ในการทำงาน ดังนั้นแบตเตอรี่ของเราสามารถให้ความจุได้มากที่อุณหภูมิต่ำโดยไม่ลดทอนคุณภาพ" นักวิจัยได้ทดสอบตัวคั่นที่ใช้ MOF ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน . แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนประกอบด้วยแคโทดฟลูออโรคาร์บอนและแอโนดโลหะลิเธียม สามารถเติมอิเล็กโทรไลต์ฟลูออโรมีเทนที่เป็นก๊าซที่ความดันภายใน 70 psi ซึ่งต่ำกว่าความดันที่จำเป็นสำหรับการทำให้ฟลูออโรมีเทนเป็นของเหลวมาก แบตเตอรี่ยังคงสามารถรักษาความจุอุณหภูมิห้องได้ 57% ที่อุณหภูมิลบ 40°C ในทางตรงกันข้าม ที่อุณหภูมิและความดันเท่ากัน พลังของแบตเตอรี่ไดอะแฟรมเชิงพาณิชย์ที่ใช้อิเล็กโทรไลต์แบบแก๊สที่มีฟลูออโรมีเทนเกือบเป็นศูนย์

micropores ที่ยึดตามตัวแยก MOF เป็นกุญแจสำคัญเนื่องจาก micropores เหล่านี้สามารถเก็บอิเล็กโทรไลต์ที่ไหลในแบตเตอรี่ได้มากขึ้นแม้ภายใต้แรงดันที่ลดลง ไดอะแฟรมเชิงพาณิชย์มีรูพรุนขนาดใหญ่และไม่สามารถเก็บโมเลกุลอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นก๊าซไว้ภายใต้แรงดันที่ลดลง แต่รูพรุนขนาดเล็กไม่ใช่เหตุผลเดียวที่ไดอะแฟรมทำงานได้ดีภายใต้สภาวะเหล่านี้ ไดอะแฟรมที่ออกแบบโดยนักวิจัยยังช่วยให้รูพรุนสร้างเส้นทางต่อเนื่องจากปลายด้านหนึ่งไปยังอีกด้านหนึ่ง ซึ่งจะทำให้มั่นใจได้ว่าไอออนลิเธียมสามารถไหลได้อย่างอิสระผ่านไดอะแฟรม ในการทดสอบ ค่าการนำไฟฟ้าอิออนของแบตเตอรี่โดยใช้ไดอะแฟรมใหม่ที่อุณหภูมิลบ 40°C นั้นมากกว่าแบตเตอรี่ที่ใช้ไดอะแฟรมเชิงพาณิชย์ถึงสิบเท่า

ทีมงานของ Chen กำลังทดสอบตัวคั่นแบบ MOF กับอิเล็กโทรไลต์อื่นๆ Chen กล่าวว่า "เราเห็นผลที่คล้ายกันแล้ว โดยการใช้ MOF นี้เป็นตัวทำให้เสถียร โมเลกุลของอิเล็กโทรไลต์ต่างๆ สามารถดูดซับได้เพื่อปรับปรุงความปลอดภัยของแบตเตอรี่ รวมถึงแบตเตอรี่ลิเธียมแบบดั้งเดิมที่มีอิเล็กโทรไลต์ระเหย"