稳定气体电解质可以使超低温电池更安全

另一项创新可以极大地改善锂粒子电池在超低温下使用气体电解质的性能。加利福尼亚大学圣地亚哥分校的纳米工程师培育了一个隔板，电池的一部分填充在阳极和阴极之间，使这些电池中的气体基电解质免于崩解。因此，这种新的隔膜可以帮助阻止电池内部压力因子的发展，这种压力因子会促使电池膨胀和爆炸。

“通过捕获气体原子，这种分离器可以作为不可预测电解质的稳定剂，”负责这项研究的加州大学圣地亚哥雅各布斯工程学院纳米工程教师郑晨说。

新的分离器还支持电池在超低温下运行。在-40摄氏度时，使用这种新型分离器的电池每克工作500毫安时的上限，不过使用商用分离器的电池基本上没有上限。专家们说，即使在长时间不使用电池的情况下，电池的极限值仍然很高，这是一个很有希望的迹象，表明新的隔膜同样可以延迟可用性的时间跨度。

该小组将他们的发现发表在6月7日的《自然通讯》上。

这一发展使分析人士离制造锂粒子电池更近了一步，锂粒子电池可以在极限温度下控制飞行器，如航天飞机、卫星和远洋船只。

这项工作扩展了加州大学圣地亚哥分校纳米工程教育家孟颖（Ying Shirley Meng）实验室过去在《科学》上发表的一份报告，该报告很快报告了锂粒子电池在-60℃低温下性能良好的进展。这些电池之所以特别耐寒，是因为它们使用了一种特殊的电解液，称为冷凝气体电解液，它是一种通过施加压力熔化的气体。不可否认，它比传统的液体电解质更不易结冰。

不过，也有一个缺点。熔化的气体电解液具有从液体到气体的高倾向性。”这是这些电解质最大的健康问题。为了利用它们，需要施加一吨的压力因子来强化气体颗粒，使电解质保持在流体结构中。

为了解决这个问题，陈的实验室与孟和加州大学圣地亚哥分校纳米工程教师托德·帕斯卡合作，开发了一种方法，可以在不施加这么多压力的情况下有效地浓缩这些气体电解质。这一发展是通过将帕斯卡这样的计算专家的能力与陈、孟这样的实验主义者结合起来而实现的，他们对加州大学圣地亚哥材料研究科学与工程中心（MRSEC）都很重要。

他们的方法利用了一个真正的奇迹，当气体粒子在微小的纳米尺寸的空间中被捕获时，会突然聚集在一起。这种被称为“超薄堆积”的奇迹，使气体能够以更低的压力获得流体。

研究小组利用这一奇迹建造了一个电池分离器，将电解液沉淀在他们的超低温电池中——一种由氟甲烷气体制成的熔化气体电解液。科学家们用一种叫做金属-天然系统（MOF）的可渗透的玻璃状材料制造了这种分离器。MOF的独特之处在于，它充满了微小的孔隙，这些孔隙可以捕获氟甲烷气体颗粒，并在中等低的压力因子下聚集它们。例如，氟甲烷通常在-30摄氏度的压力系数为118磅/平方英寸的条件下固化；然而，对于MOF，在相似的温度下，它的聚集压力只有11psi。

“MOF从根本上减少了电解液工作的压力因素。”因此，我们的电池在低温下有很大的局限性，而且不会降低。”

专家们在锂粒子电池中试用了MOF基隔膜，这种隔膜使用的是氟化碳阴极和锂金属阳极，在70磅/平方英寸的内压系数下加载氟甲烷气体电解质，这远远低于预期熔化氟甲烷的压力系数。这些细胞在-40摄氏度时保持了57%的室温极限。矛盾的是，在相同的温度和压力因子下，带有商业分离器的电池基本上没有氟甲烷气体电解质的限制。

基于MOF的隔膜的微小孔隙是关键，因为它们在降低压力系数的情况下，使更多的电解质在电池中流动。商业分离器，同样，有巨大的孔，不能容纳气体电解质原子在压力因素下降。

然而，微小的孔隙并不是分离器在这些条件下发挥良好功能的唯一解释。专家们设计的分离器的目标是使孔从一个表面到另一个表面不停地排列。这保证了锂粒子在任何情况下都可以毫无保留地流过分离器。在测试中，使用新型隔膜的电池在-40℃时的离子电导率是使用商用隔膜的电池的数倍。

陈的团队目前正在尝试MOF组装不同电解质的分离器我们看到了相对的影响。我们可以利用这种MOF作为稳定剂来吸附不同种类的电解质颗粒，甚至在传统的锂电池中也可以改善电池的性能，因为传统的锂电池还含有不稳定的电解质。”