Ինժեներները մշակել են բաժանարար, որը կայունացնում է գազային էլեկտրոլիտները՝ ծայրահեղ ցածր ջերմաստիճանի մարտկոցներն ավելի անվտանգ դարձնելու համար

Ըստ արտասահմանյան լրատվամիջոցների՝ Կալիֆորնիայի Սան Դիեգոյի համալսարանի նանո ինժեներները մշակել են մարտկոցի բաժանարար, որը կարող է խոչընդոտ հանդիսանալ կաթոդի և անոդի միջև՝ կանխելու մարտկոցի գազային էլեկտրոլիտի գոլորշիացումը: Նոր դիֆրագմը կանխում է փոթորկի ներքին ճնշման կուտակումը, դրանով իսկ թույլ չի տալիս մարտկոցի ուռչել և պայթել:

Հետազոտության ղեկավար Չժեն Չենը, Կալիֆորնիայի Սան Դիեգոյի համալսարանի Ջեյքոբսի ճարտարագիտական ​​դպրոցի նանոճարտարագիտության պրոֆեսորը, ասաց.

Նոր տարանջատիչը կարող է բարելավել մարտկոցի աշխատանքը ծայրահեղ ցածր ջերմաստիճանում: Դիֆրագմ օգտագործող մարտկոցի բջիջը կարող է աշխատել մինուս 40°C ջերմաստիճանում, իսկ հզորությունը կարող է հասնել մինչև 500 միլիամպեր ժամ մեկ գրամի դիմաց, մինչդեռ առևտրային դիֆրագմային մարտկոցն այս դեպքում գրեթե զրոյական հզորություն ունի: Հետազոտողները նշում են, որ նույնիսկ եթե այն երկու ամիս չօգտագործված մնա, մարտկոցի մարտկոցի հզորությունը դեռ բարձր է։ Այս կատարումը ցույց է տալիս, որ դիֆրագմը կարող է նաև երկարացնել պահպանման ժամկետը: Այս հայտնագործությունը թույլ է տալիս հետազոտողներին հասնել իրենց նպատակին. արտադրել մարտկոցներ, որոնք կարող են էլեկտրաէներգիա ապահովել սառցե միջավայրում տրանսպորտային միջոցների համար, ինչպիսիք են տիեզերանավերը, արբանյակները և խորը ծովի նավերը:

Այս հետազոտությունը հիմնված է Սան Դիեգոյի Կալիֆոռնիայի համալսարանի նանոինժեներության պրոֆեսոր Յինգ Շիրլի Մենգի լաբորատորիայում կատարած ուսումնասիրության վրա: Այս հետազոտությունը օգտագործում է որոշակի հեղուկ գազի էլեկտրոլիտ՝ մարտկոց ստեղծելու համար, որն առաջին անգամ կարող է լավ աշխատունակություն պահպանել մինուս 60°C միջավայրում: Դրանցից հեղուկ գազի էլեկտրոլիտը գազ է, որը հեղուկացվում է ճնշում գործադրելով և ցածր ջերմաստիճանների նկատմամբ ավելի դիմացկուն է, քան ավանդական հեղուկ էլեկտրոլիտները:

Բայց այս տեսակի էլեկտրոլիտը թերություն ունի. հեշտ է հեղուկից գազայինի անցնել: Չենն ասաց. «Այս խնդիրը այս էլեկտրոլիտի անվտանգության ամենամեծ խնդիրն է»: Հեղուկի մոլեկուլները խտացնելու և էլեկտրոլիտը հեղուկ վիճակում պահելու համար անհրաժեշտ է բարձրացնել ճնշումը՝ էլեկտրոլիտը օգտագործելու համար:

Այս խնդիրը լուծելու համար Չենի լաբորատորիան համագործակցել է Սան Դիեգոյի Կալիֆորնիայի համալսարանի նանոճարտարագիտության պրոֆեսոր Մենգի և Թոդ Պասկալի հետ: Համատեղելով հաշվողական փորձագետների փորձը, ինչպիսիք են Պասկալը և այնպիսի հետազոտողների, ինչպիսիք են Չենը և Մենգը, մշակվել է մեթոդ՝ գոլորշիացված էլեկտրոլիտը հեղուկացնելու համար՝ առանց չափազանց մեծ ճնշում գործադրելու արագ: Վերոհիշյալ անձնակազմը փոխկապակցված է Սան Դիեգոյի Կալիֆոռնիայի համալսարանի Նյութերի հետազոտությունների գիտության և ճարտարագիտական ​​կենտրոնի (MRSEC) հետ:

Այս մեթոդը փոխառվում է ֆիզիկական երևույթից, որի դեպքում գազի մոլեկուլները ինքնաբերաբար խտանում են, երբ թակարդում են նանո մասշտաբի փոքր տարածություններում: Այս երևույթը կոչվում է մազանոթային խտացում, որը կարող է ավելի ցածր ճնշման դեպքում գազը դարձնել հեղուկ: Հետազոտական ​​թիմն օգտագործել է այս երևույթը մարտկոցների բաժանարար կառուցելու համար, որը կարող է կայունացնել էլեկտրոլիտը ծայրահեղ ցածր ջերմաստիճանի մարտկոցներում՝ հեղուկ գազի էլեկտրոլիտ՝ պատրաստված ֆտորմեթան գազից: Հետազոտողները թաղանթ ստեղծելու համար օգտագործել են ծակոտկեն բյուրեղային նյութ, որը կոչվում է մետաղ-օրգանական շրջանակ (MOF): MOF-ի եզակի բանն այն է, որ այն լի է մանր ծակոտիներով, որոնք կարող են փակել ֆտորմեթանի գազի մոլեկուլները և խտացնել դրանք համեմատաբար ցածր ճնշման տակ: Օրինակ, ֆտորմեթանը սովորաբար փոքրանում է մինուս 30°C և ունի 118 psi ուժ; բայց եթե օգտագործվում է MOF, ապա ծակոտկեն խտացման ճնշումը նույն ջերմաստիճանում կազմում է ընդամենը 11 psi:

«Այս MOF-ը զգալիորեն նվազեցնում է էլեկտրոլիտի աշխատանքի համար պահանջվող ճնշումը: Հետևաբար, մեր մարտկոցը կարող է ապահովել մեծ հզորություն ցածր ջերմաստիճաններում՝ առանց քայքայման»: Հետազոտողները փորձարկել են MOF-ի վրա հիմնված տարանջատիչը լիթիում-իոնային մարտկոցում: . Լիթիում-իոնային մարտկոցը բաղկացած է ֆտորածխածնային կաթոդից և լիթիումի մետաղական անոդից։ Այն կարող է լցնել այն գազային ֆտորմեթանային էլեկտրոլիտով 70 psi ներքին ճնշման դեպքում, որը շատ ավելի ցածր է, քան ֆտորմեթանի հեղուկացման համար պահանջվող ճնշումը: Մարտկոցը դեռ կարող է պահպանել իր սենյակային ջերմաստիճանի հզորության 57%-ը մինուս 40°C-ում: Ի հակադրություն, նույն ջերմաստիճանի և ճնշման դեպքում ֆտորմեթան պարունակող գազային էլեկտրոլիտ օգտագործող կոմերցիոն դիֆրագմային մարտկոցի հզորությունը գրեթե զրոյական է:

MOF բաժանարարի վրա հիմնված միկրոծակերը առանցքային են, քանի որ այս միկրոծակերը կարող են ավելի շատ էլեկտրոլիտներ պահել մարտկոցում նույնիսկ նվազ ճնշման ներքո: Առևտրային դիֆրագմը մեծ ծակոտիներ ունի և չի կարող պահել գազային էլեկտրոլիտի մոլեկուլները նվազեցված ճնշման տակ: Սակայն միկրոծակոտկենությունը միակ պատճառը չէ, որ դիֆրագմը լավ է աշխատում այս պայմաններում: Հետազոտողների կողմից նախագծված դիֆրագմը նաև թույլ է տալիս ծակոտիներին շարունակական ուղի ձևավորել մի ծայրից մյուսը, դրանով իսկ ապահովելով, որ լիթիումի իոնները կարող են ազատորեն հոսել դիֆրագմայով: Փորձարկման ժամանակ մարտկոցի իոնային հաղորդունակությունը, որն օգտագործում է նոր դիֆրագմը մինուս 40°C ջերմաստիճանում, տասն անգամ գերազանցում է առևտրային դիֆրագմ օգտագործող մարտկոցը:

Չենի թիմը ներկայումս փորձարկում է MOF-ի վրա հիմնված անջատիչներ այլ էլեկտրոլիտների վրա: «Մենք տեսել ենք նմանատիպ ազդեցություններ: Օգտագործելով այս MOF-ը որպես կայունացուցիչ՝ տարբեր էլեկտրոլիտային մոլեկուլներ կարող են կլանվել մարտկոցների անվտանգությունը բարելավելու համար, ներառյալ ավանդական լիթիումային մարտկոցները՝ ցնդող էլեկտրոլիտներով»: