Plantecellulose forhindrer kortslutninger i batterier

(Phys.org)—For at forhindre kortslutninger i batterier, porøse separatormembraner er ofte placeret mellem et batteris elektroder. Der er typisk en afvejning involveret, da disse separatorer samtidig skal forhindre lækstrøm mellem elektroder og samtidig tillade ioner at passere gennem de porøse kanaler for at generere strøm. Konventionelt, disse membraner er lavet af syntetiske materialer, såsom polymerer.

I en ny undersøgelse offentliggjort i Nano bogstaver , forskere fra Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) i Sydkorea har designet en cellulose nanomat, eller "c-mat, " separatormembran, der indeholder et tyndt lag af nanoporøs plantecellulose oven på et tykt makroporøst polymerlag.

Ved finjustering af tykkelsen af ​​de to lag, forskerne var i stand til at designe en separatormembran, der delikat balancerer afvejningen mellem forhindring af lækstrøm og understøttelse af hurtig iontransport.

Med sine små porer, det nanoporøse celluloselag forhindrer lækstrøm mellem elektroderne, forhindrer kortslutninger. På den anden side, det makroporøse polymerlags porøse kanaler er for store til at forhindre lækstrøm mellem elektroderne, men deres store størrelse gør dem i stand til at fungere som "ioniske motorveje" til hurtigt at transportere afgifter.

Den nye separator har en anden stor fordel:Ved høje temperaturer (60 °C), batterier med de nye separatormembraner har en kapacitetsbevarelse på 80 % efter 100 cyklusser, hvorimod batterier med typiske kommercielle polymerseparatorer bevarer kun 5 % af deres oprindelige kapacitet efter 100 cyklusser ved samme temperatur.

Forskerne forklarer, at det store kapacitetstab i de kommercielle batterier ved høj temperatur opstår på grund af uønskede bivirkninger mellem lithiumsalte og vand, som producerer skadelige biprodukter såsom manganioner. Det nanoporøse cellulosebaserede lag af de nye separatormembraner har en mangan-chelaterende evne, så det binder sig til manganionerne og forhindrer dem i at deltage i de reaktioner, der forårsager kapacitetstab. Ud over, det makroporøse polymerlag fanger de sure reaktanter, der producerer manganionerne, hvilket resulterer i færre af disse ioner i første omgang.

"Vi demonstrerer i dette arbejde, at den kemisk aktive cellulosebaserede c-mat-separator kan afbøde de manganion-inducerede negative virkninger, "medforfatter Sang-Young Lee, Professor ved UNIST's School of Energy and Chemical Engineering, fortalte Phys.org . "Dette muliggør en bemærkelsesværdig forbedring af højtemperatur-cykleydelsen langt ud over det, der er opnåeligt med konventionelle membranteknologier."

I fremtiden, forskerne planlægger at ændre separatorerne til potentiel brug i næste generations genopladelige batterier såsom natriumion, lithium-svovl, og metal-ion batterier.

"C-mat separatoren forventes at blive brugt til næste generations højtydende batterier med høj temperaturstabilitet - f.eks. i store batterier til elbiler og el-lagringssystemer i netskala, " sagde Lee.

Ud over dets brug som batteriseparatormembran, c-mat separatoren har også potentielle anvendelser i membraner til afsaltningssystemer, samt til miljøvenlige sensorer til tungmetalioner.

© 2016 Phys.org