Mühendisler, ultra düşük sıcaklıktaki pilleri daha güvenli hale getirmek için gaz halindeki elektrolitleri stabilize eden bir ayırıcı geliştirdiler.

Yabancı basında çıkan haberlere göre California San Diego Üniversitesi'ndeki nano mühendisler, pildeki gaz halindeki elektrolitin buharlaşmasını önlemek için katot ile anot arasında bariyer görevi görebilen bir pil ayırıcı geliştirdiler. Yeni diyafram, fırtınanın iç basıncının birikmesini önleyerek pilin şişmesini ve patlamasını önler.

San Diego'daki Kaliforniya Üniversitesi Jacobs Mühendislik Okulu'nda nanomühendislik profesörü olan araştırma lideri Zheng Chen şunları söyledi: "Zar, gaz moleküllerini hapsederek uçucu elektrolitler için bir dengeleyici görevi görebilir."

Yeni ayırıcı, ultra düşük sıcaklıklarda pil performansını artırabilir. Diyaframı kullanan pil hücresi eksi 40°C'de çalışabilir ve kapasitesi gram başına 500 miliamper saate kadar çıkabilirken, ticari diyafram pili bu durumda neredeyse sıfır güce sahiptir. Araştırmacılar, iki ay boyunca kullanılmadan bırakılsa bile pil hücresi kapasitesinin hala yüksek olduğunu söylüyor. Bu performans diyaframın depolama ömrünü de uzatabildiğini gösteriyor. Bu keşif, araştırmacıların hedeflerine daha da ulaşmalarına olanak tanıyor: uzay aracı, uydular ve derin deniz gemileri gibi buzlu ortamlardaki araçlara elektrik sağlayabilecek piller üretmek.

Bu araştırma, San Diego'daki Kaliforniya Üniversitesi'nde nanomühendislik profesörü Ying Shirley Meng'in laboratuvarında yapılan bir araştırmaya dayanmaktadır. Bu araştırma, ilk kez eksi 60°C'lik bir ortamda iyi performansı koruyabilen bir pil geliştirmek için özel bir sıvılaştırılmış gaz elektroliti kullanıyor. Bunlardan sıvılaştırılmış gaz elektroliti, basınç uygulanarak sıvılaştırılan ve geleneksel sıvı elektrolitlere göre düşük sıcaklıklara daha dayanıklı bir gazdır.

Ancak bu tür elektrolitin bir kusuru vardır; sıvıdan gaza geçiş kolaydır. Chen şunları söyledi: "Bu sorun, bu elektrolit için en büyük güvenlik sorunudur." Sıvı molekülleri yoğunlaştırmak ve elektroliti kullanabilmek için elektroliti sıvı halde tutmak için basıncın arttırılması gerekir.

Chen'in laboratuvarı, bu sorunu çözmek için San Diego'daki Kaliforniya Üniversitesi'nde nanomühendislik profesörü olan Meng ve Tod Pascal ile işbirliği yaptı. Pascal gibi bilgisayar uzmanlarının uzmanlığı ile Chen ve Meng gibi araştırmacıların uzmanlıkları bir araya getirilerek buharlaşan elektroliti çok fazla basınç uygulamadan hızlı bir şekilde sıvılaştıracak bir yöntem geliştirildi. Yukarıda adı geçen personel, San Diego'daki California Üniversitesi'nin Malzeme Araştırma Bilimi ve Mühendislik Merkezi'ne (MRSEC) bağlıdır.

Bu yöntem, gaz moleküllerinin küçük nano ölçekli boşluklarda sıkışıp kaldıklarında kendiliğinden yoğunlaştığı fiziksel bir olgudan ödünç alınmıştır. Gazın daha düşük basınçta sıvı hale gelmesine neden olan bu olaya kılcal yoğunlaşma denir. Araştırma ekibi bu fenomeni, florometan gazından yapılmış sıvılaştırılmış bir gaz elektroliti olan ultra düşük sıcaklıktaki pillerdeki elektroliti stabilize edebilen bir pil ayırıcı oluşturmak için kullandı. Araştırmacılar, zarı oluşturmak için metal-organik çerçeve (MOF) adı verilen gözenekli kristal bir malzeme kullandılar. MOF'un benzersiz özelliği, florometan gaz moleküllerini yakalayabilen ve onları nispeten düşük basınçta yoğunlaştırabilen küçük gözeneklerle dolu olmasıdır. Örneğin, florometan genellikle eksi 30°C'de büzülür ve 118 psi'lik bir kuvvete sahiptir; ancak MOF kullanılırsa aynı sıcaklıkta gözenekli malzemenin yoğunlaşma basıncı yalnızca 11 psi'dir.

Chen şunları söyledi: "Bu MOF, elektrolitin çalışması için gereken basıncı önemli ölçüde azaltır. Bu nedenle pilimiz, bozulma olmadan düşük sıcaklıklarda büyük miktarda kapasite sağlayabilir." Araştırmacılar, MOF tabanlı bir ayırıcıyı lityum iyon pilde test etti. . Lityum iyon pil, bir florokarbon katot ve bir lityum metal anottan oluşur. Florometanı sıvılaştırmak için gereken basınçtan çok daha düşük olan 70 psi'lik bir iç basınçta gaz halindeki florometan elektrolit ile doldurabilir. Pil, eksi 57°C'de oda sıcaklığı kapasitesinin %40'sini koruyabilir. Buna karşılık, aynı sıcaklık ve basınçta, florometan içeren gazlı bir elektrolit kullanan ticari diyafram pilinin gücü neredeyse sıfırdır.

MOF ayırıcıyı temel alan mikro gözenekler anahtardır çünkü bu mikro gözenekler, düşük basınç altında bile aküde daha fazla elektrolitin akmasını sağlayabilir. Ticari diyafram geniş gözeneklere sahiptir ve gaz halindeki elektrolit moleküllerini azaltılmış basınç altında tutamaz. Ancak diyaframın bu koşullar altında iyi çalışmasının tek nedeni mikro gözeneklilik değildir. Araştırmacıların tasarladığı diyafram aynı zamanda gözeneklerin bir uçtan diğer uca sürekli bir yol oluşturmasını sağlayarak lityum iyonlarının diyafram içerisinde serbestçe akmasını sağlıyor. Testte, eksi 40°C'de yeni diyaframı kullanan pilin iyonik iletkenliği, ticari diyaframı kullanan pilin iyon iletkenliğinin on katıdır.

Chen'in ekibi şu anda MOF bazlı ayırıcıları diğer elektrolitler üzerinde test ediyor. Chen şunları söyledi: "Benzer etkiler gördük. Bu MOF'yi bir dengeleyici olarak kullanarak, uçucu elektrolitlere sahip geleneksel lityum piller de dahil olmak üzere çeşitli elektrolit molekülleri pil güvenliğini artırmak için adsorbe edilebilir."