Zweischichtiges PET/PVDF-Substrat

Jul 17, 2023

22. März 2023

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von der Shinshu-Universität

Eine effektive Energiespeicherung ist für den gesellschaftlichen Übergang zu erneuerbaren Energien von größter Bedeutung. Lithium-Metall-Batterien (LMBs) haben das Potenzial, die in einer einzigen Ladung gespeicherte Energiemenge im Vergleich zu aktuellen Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) zu verdoppeln, aber das Wachstum von Lithiumdendriten und der Elektrolytverbrauch in aktuellen LMB-Technologien beeinträchtigen die Batterieleistung.

Substrate für feste Polymerelektrolyte (SPEs) bieten eine mögliche Lösung für aktuelle LMB-Einschränkungen, SPEs erfordern jedoch eine eigene Optimierung vor der Integration in All-Solid-State-LMB-Systeme (ASSLMB).

Ein Team führender Wissenschaftler der Shinshu-Universität, der Kyoto-Universität und der Sungkyunkwan-Universität berichtete kürzlich über die Entwicklung einer zweischichtigen, nicht gewebten Polyethylenterephthalat (PET)-Mikrofaser/Polyvinylidenfluorid (PVDF)-Nanofasermembran unter Verwendung einer mechanischen Pressmethode, die als Separator für LIB fungiert Systeme zur Vermeidung von Kurzschlüssen zwischen Elektroden.

Der Separator zeigte eine verbesserte Benetzbarkeit bzw. Fähigkeit der Lithiumionen enthaltenden Elektrolytflüssigkeit, mit den Elektroden in Kontakt zu kommen, sowie eine verbesserte thermische Stabilität des Batteriesystems. Wichtig ist, dass diese Doppelschichtmembran auch in SPEs von LMB-Systemen verwendet werden kann, um schädliches Wachstum von Lithiumdendriten und strukturelles Versagen zu verhindern.

In ihrer aktuellen Forschungsstudie erzeugte das Forschungsteam mithilfe eines Elektrospinning-Verfahrens ein ähnliches zweischichtiges, nicht gewebtes PET/PVDF-Substrat (nPPV), um die Bildung von Hohlräumen und Falten zwischen den beiden Schichten zu verhindern, die die Langlebigkeit der PVDF-Schicht verringern. Die Studie charakterisierte die mechanischen, thermischen und elektrochemischen Eigenschaften der nPPV-verstärkten Festpolymerelektrolyte (nPPV-SPEs) und Tests bestätigten, dass das Substrat die Leistung von ASSLMB-Systemen deutlich verbesserte.

Das Team veröffentlichte seine Ergebnisse online im Journal of Power Sources.

„Angesichts der schlechten Zyklenleistung (Lade-Entlade-Zyklen) von SPEs, die auf schlechte mechanische und thermische Eigenschaften zurückzuführen sind, konzentrierte sich dieses Projekt auf die Herstellung von SPEs, die durch ein zweischichtiges Substrat verstärkt sind, das aus einer Schicht PET-Vliesstoff und einer Schicht PVDF-Nanofasern besteht „Verbessern Sie die strukturelle Stabilität und damit die Zyklusleistung von SPEs“, sagte Ick Soo Kim, korrespondierender Autor der Studie und Professor an der Nano Fusion Technology Research Group am Institute for Fiber Engineering (IFES) der Shinshu-Universität.

Wichtig ist, dass SPEs aus Polymermatrizen und Lithiumsalzen Eigenschaften wie Flexibilität und Verarbeitbarkeit aufweisen, die mit LMB-Elektroden kompatibel sind. Das Elektrospinnverfahren eliminiert auch die Falten und Hohlräume, die durch das Pressverfahren zwischen den PET- und PVDF-Schichten entstehen, und bietet so eine einfache, einfache und anpassungsfähige Herstellungsmethode für Nanofasermembranen.

„Die Nanofasern, die mit Elektrospinngeräten im industriellen Maßstab von LEMON CO., Ltd. hergestellt werden, gewährleisten eine kleine und gleichmäßige Porengröße mit hoher Porosität und nehmen so Polymermaterialien und Lithiumsalze auf, ohne die Ionendiffusion zu beeinträchtigen und die elektrochemische Oxidationsstabilität zu verbessern“, sagte Kim.

Für diese Studie wurden PVDF-Nanofasern direkt auf die Mikrofaser-PET-Schicht elektrogesponnen, um ein robusteres Doppelschichtmaterial herzustellen. Durch die verbesserte strukturelle Stabilität können SPEs den chemischen Reaktionen standhalten, die im System während längerfristiger Lade- und Wiederaufladezyklen auftreten.

„Das zweischichtige Substrat verbessert die mechanischen und thermischen Eigenschaften fester Polymerelektrolyte erheblich, wodurch die Zelle über 2000 Stunden betrieben werden kann“, sagte Kim. Darüber hinaus unterdrückt die hohe Zugfestigkeit des Materials das Wachstum von Lithiumdendriten, eine der größten Herausforderungen von LMB-Systemen.

Trotz der Fortschritte in der SPE-Technologie erkennt das Forschungsteam an, dass noch mehr Arbeit erforderlich ist, um das Potenzial von Festkörperelektrolyten (SSEs) wie SPEs auszuschöpfen.

„Die verbesserte Strukturstabilität von SPEs gewährleistet eine lange Lebensdauer und einen sicheren Einsatz von Lithiumbatterien, allerdings sind die Geschwindigkeitsleistung und die Lithiummobilität von SPEs immer noch schlechter als bei flüssigen Elektrolyten in Lithium-Ionen-Batterien. Der nächste Schritt besteht darin, die Ionenleitfähigkeit zu verbessern, um den Anforderungen gerecht zu werden.“ von schnellem Laden und Entladen", sagte Kim. Die Forscher gehen davon aus, dass weitere Substrate untersucht werden, um die elektrochemischen Eigenschaften von SPEs weiter zu verbessern und die ASSLMB-Systemtechnologie voranzutreiben.

Mehr Informationen: Lei Sun et al., Verbesserte Eigenschaften fester Polymerelektrolyte durch ein zweischichtiges Vliesstoff-PET/Nanofaser-PVDF-Substrat zur Verwendung in Festkörper-Lithiummetallbatterien, Journal of Power Sources (2023). DOI: 10.1016/j.jpowsour.2023.232851