工程師開發出一種可穩定氣態電解質的隔膜，使超低溫電池更安全

根據外媒報道，加州大學聖地牙哥分校的奈米工程師開發出了一種電池隔膜，可以充當陰極和陽極之間的屏障，防止電池中的氣態電解質蒸發。 新型隔膜可防止風暴內部壓力積聚，從而防止電池膨脹和爆炸。

研究負責人、加州大學聖地亞哥分校雅各布斯工程學院奈米工程教授鄭晨說：“通過捕獲氣體分子，膜可以充當揮發性電解質的穩定劑。”

新型隔膜可以提高電池在超低溫下的性能。 使用隔膜的電池芯可以在-40°C的溫度下工作，容量可以高達每克500毫安時，而商業隔膜電池在這種情況下幾乎為零功率。 研究人員表示，即使兩個月不使用，電池容量仍然很高。 這一性能表明隔膜還可以延長儲存壽命。 這項發現使研究人員能夠進一步實現他們的目標：生產可為冰冷環境下的車輛（例如太空船、衛星和深海船舶）提供電力的電池。

這項研究是基於加州大學聖地牙哥分校奈米工程教授 Ying Shirley Meng 實驗室的研究。 研究採用特殊的液化氣體電解液，首次開發出能夠在-60℃環境下保持良好性能的電池。 其中，液化氣體電解質是透過施加壓力而液化的氣體，比傳統液體電解質更耐低溫。

但這種電解液有一個缺陷： 很容易從液體變成氣體。 陳說：“這個問題是這種電解液最大的安全問題。” 需要增加壓力使液體分子凝結並使電解液保持液態才能使用電解液。

陳的實驗室與孟和加州大學聖地牙哥分校奈米工程學教授托德·帕斯卡合作解決了這個問題。 透過將帕斯卡等計算專家的專業知識與陳和孟等研究人員的專業知識相結合，開發出了一種無需快速施加太大壓力即可液化汽化電解質的方法。 上述人員隸屬於加州大學聖地牙哥分校材料研究科學與工程中心（MRSEC）。

這種方法借鑒了一種物理現象，即氣體分子被困在微小的奈米級空間中時會自發性凝結。 這種現象稱為毛細管冷凝，它可以使氣體在較低的壓力下變成液體。 研究團隊利用這一現象建造了一種電池隔膜，可以穩定超低溫電池中的電解質，這是一種由氟甲烷氣體製成的液化氣體電解質。 研究人員使用一種稱為金屬有機框架（MOF）的多孔晶體材料來製造這種薄膜。 MOF的獨特之處在於它充滿了微小的孔隙，可以捕捉氟甲烷氣體分子並在相對較低的壓力下將其冷凝。 例如，氟甲烷通常在 -30°C 時收縮，壓力為 118 psi； 但若使用MOF，相同溫度下多孔的冷凝壓力僅為11 psi。

Chen說：“這種MOF顯著降低了電解液工作所需的壓力。因此，我們的電池可以在低溫下提供大量容量而不會退化。” 研究人員在鋰離子電池中測試了基於 MOF 的隔膜。 。 鋰離子電池由碳氟化合物正極和鋰金屬負極組成。 它可以在70 psi的內部壓力下填充氣態氟甲烷電解質，遠低於液化氟甲烷所需的壓力。 電池在-57℃時仍能保持室溫容量的40%。 相較之下，在相同的溫度和壓力下，使用含有氟甲烷的氣態電解質的商用隔膜電池的功率幾乎為零。

基於MOF隔膜的微孔是關鍵，因為即使在減壓下，這些微孔也能保持更多的電解液在電池中流動。 商用隔膜的孔隙較大，無法在減壓下保留氣態電解質分子。 但微孔性並不是隔膜在這些條件下正常運作的唯一原因。 研究人員設計的隔膜還可以讓孔隙形成從一端到另一端的連續路徑，從而確保鋰離子可以自由地流過隔膜。 測試中，使用新型隔膜的電池在-40℃時的離子電導率是使用商用隔膜的電池的十倍。

Chen 的團隊目前正在其他電解質上測試基於 MOF 的隔膜。 陳說：“我們也看到了類似的效果。通過使用這種MOF作為穩定劑，可以吸附各種電解質分子以提高電池安全性，包括具有揮發性電解質的傳統鋰電池。”