Sustrato bicapa PET/PVDF

22 de marzo de 2023

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por la Universidad de Shinshu

El almacenamiento efectivo de energía es fundamental para la transición de la sociedad a la energía renovable. Las baterías de metal de litio (LMB) tienen el potencial de duplicar la cantidad de energía almacenada en una sola carga en comparación con las baterías de iones de litio (LIB) actuales, pero el crecimiento de las dendritas de litio y el consumo de electrolitos en las tecnologías LMB actuales están obstaculizando el rendimiento de la batería.

Los sustratos para electrolitos poliméricos sólidos (SPE) ofrecen una posible solución a las limitaciones actuales de LMB, pero los SPE requieren su propia optimización antes de la integración en sistemas LMB de estado sólido (ASSLMB).

Un equipo de científicos destacados de la Universidad de Shinshu, la Universidad de Kyoto y la Universidad de Sungkyunkwan informaron recientemente sobre el desarrollo de una membrana bicapa de nanofibras de tereftalato de polietileno (PET) no tejido/fluoruro de polivinilideno (PVDF) mediante un método de prensado mecánico, que actúa como separador de LIB. sistemas para evitar cortocircuitos entre electrodos.

El separador demostró una humectabilidad mejorada, o la capacidad del electrolito líquido que contiene iones de litio para entrar en contacto con los electrodos, y la estabilidad térmica del sistema de batería. Es importante destacar que esta membrana bicapa también se puede usar en SPE de sistemas LMB para evitar el crecimiento perjudicial de dendritas de litio y fallas estructurales.

En su estudio de investigación actual, el equipo de investigación generó un sustrato PET/PVDF (nPPV) no tejido de dos capas similar utilizando un método de electrohilado para evitar la formación de vacíos y pliegues entre las dos capas que reducen la longevidad de la capa de PVDF. El estudio caracterizó las propiedades mecánicas, térmicas y electroquímicas de los electrolitos de polímeros sólidos reforzados con nPPV (nPPV-SPEs), y las pruebas confirmaron que el sustrato mejoró significativamente el rendimiento de los sistemas ASSLMB.

El equipo publicó sus resultados en línea en Journal of Power Sources.

"Teniendo en cuenta el bajo rendimiento cíclico (ciclos de carga y descarga) de los SPE debido a sus bajas propiedades mecánicas y térmicas, este proyecto se centró en la fabricación de SPE reforzados con un sustrato bicapa compuesto por una capa de tela no tejida de PET y una capa de nanofibras de PVDF para mejorar la estabilidad estructural y, por lo tanto, el rendimiento del ciclo de SPE", dijo Ick Soo Kim, autor correspondiente del estudio y profesor del Grupo de Investigación de Tecnología de Nano Fusión en el Instituto de Ingeniería de Fibra (IFES) en la Universidad de Shinshu.

Es importante destacar que los SPE formados por matrices poliméricas y sales de litio demuestran propiedades como la flexibilidad y la procesabilidad que son compatibles con los electrodos LMB. El método de electrohilado también elimina los pliegues y vacíos generados por el método de prensado entre las capas de PET y PVDF, proporcionando un método de fabricación simple, fácil y adaptable para membranas de nanofibras.

"Las nanofibras producidas con equipos de electrohilado a escala industrial por LEMON CO., Ltd. aseguran un tamaño de poro pequeño y uniforme con alta porosidad, por lo que se adaptan a materiales poliméricos y sales de litio sin afectar la difusión de iones y mejorando la estabilidad de oxidación electroquímica", dijo Kim.

Para este estudio, las nanofibras de PVDF se electrohilaron directamente sobre la capa de microfibras de PET para producir un material bicapa más resistente. La estabilidad estructural mejorada permite que las SPE soporten las reacciones químicas que ocurren en el sistema durante los ciclos de carga y recarga a largo plazo.

"El sustrato bicapa mejora significativamente las propiedades mecánicas y térmicas de los electrolitos poliméricos sólidos, lo que permite que la celda funcione durante más de 2000 horas", dijo Kim. Además, la alta resistencia a la tracción del material suprime el crecimiento de dendritas de litio, uno de los desafíos importantes de los sistemas LMB.

A pesar de los avances en la tecnología SPE, el equipo de investigación reconoce que se requiere más trabajo para aprovechar el potencial de los electrolitos de estado sólido (SSE) como SPE.

"La estabilidad de la estructura mejorada de las SPE garantiza una vida útil prolongada y un uso seguro de las baterías de litio, pero el rendimiento de la tasa y la movilidad del litio de las SPE siguen siendo inferiores a los electrolitos líquidos en las baterías de iones de litio. El siguiente paso es mejorar la conductividad iónica para cumplir con los requisitos. de carga y descarga rápidas", dijo Kim. Los investigadores predicen que se estudiarán sustratos adicionales para mejorar aún más las propiedades electroquímicas de las SPE y avanzar en la tecnología del sistema ASSLMB.

Más información: Lei Sun et al, Propiedades mejoradas de electrolitos de polímeros sólidos mediante un sustrato de PVDF de nanofibras/PET no tejido bicapa para uso en baterías de metal de litio de estado sólido, Journal of Power Sources (2023). DOI: 10.1016/j.jpowsour.2023.232851