Sustrato bicapa PET/PVDF

Jul 17, 2023

22 de marzo de 2023

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por la Universidad Shinshu

El almacenamiento eficaz de energía es fundamental para la transición de la sociedad hacia las energías renovables. Las baterías de metal 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 de polímeros sólidos (SPE) ofrecen una solución potencial a las limitaciones actuales de LMB, pero los SPE requieren su propia optimización antes de su integración en sistemas LMB totalmente de estado sólido (ASSLMB).

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

El separador demostró una mejor humectabilidad, o capacidad del líquido electrolítico que contiene iones de litio para entrar en contacto con los electrodos, y estabilidad térmica del sistema de batería. Es importante destacar que esta membrana bicapa también se puede utilizar 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 bicapa similar de PET/PVDF no tejido (nPPV) utilizando un método de electrohilado para evitar la formación de huecos y pliegues entre las dos capas que reducen la longevidad de la capa de PVDF. El estudio caracterizó los electrolitos de polímero sólido reforzado con nPPV (nPPV-SPE) por sus propiedades mecánicas, térmicas y electroquímicas, 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-descarga) de los SPEs debido a sus bajas propiedades mecánicas y térmicas, este proyecto se centró en la fabricación de SPEs reforzados por 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 tanto, el rendimiento del ciclo de las SPEs", afirmó Ick Soo Kim, autor correspondiente del estudio y profesor del Grupo de Investigación de Tecnología Nano Fusion en el Instituto de Ingeniería de Fibras (IFES) de la Universidad Shinshu.

Es importante destacar que los SPE formados por matrices poliméricas y sales de litio demuestran propiedades como flexibilidad y procesabilidad que son compatibles con los electrodos LMB. El método de electrohilado también elimina los pliegues y huecos 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 utilizando equipos de electrohilado a escala industrial por LEMON CO., Ltd. garantizan un tamaño de poro pequeño y uniforme con alta porosidad, acomodando así materiales poliméricos y sales de litio sin afectar la difusión de iones y mejorando la estabilidad de la oxidación electroquímica", dijo Kim.

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

"El sustrato bicapa mejora significativamente las propiedades mecánicas y térmicas de los electrolitos de polímero sólido, 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 los SPE.

"La estabilidad estructural mejorada de los SPEs garantiza una larga vida útil y un uso seguro de las baterías de litio, pero el rendimiento de la velocidad y la movilidad del litio de los SPEs 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 rápida", dijo Kim. Los investigadores predicen que se estudiarán sustratos adicionales para mejorar aún más las propiedades electroquímicas de los SPE y avanzar en la tecnología del sistema ASSLMB.

Más información: Lei Sun et al, Propiedades mejoradas de electrolitos de polímero sólido mediante un sustrato de PVDF de nanofibra/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