Высокое поглощение электролита встроенными мембранными сепараторами MXene для Zn

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 19915 (2022) Цитировать эту статью

1686 Доступов

2 цитаты

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Недавняя разработка сепараторов с высокой гибкостью, высоким поглощением электролита и ионной проводимостью для аккумуляторов привлекла значительное внимание. Однако исследования композитных сепараторов с указанными выше свойствами для водных электролитов в Zn-ионных батареях ограничены. В этом исследовании композитная мембрана полиакрилонитрил (ПАН)/полиуретан (ПУ) на биологической основе/Ti3C2Tx MXene была изготовлена ​​с использованием метода электропрядения. Ti3C2 MXene внедрялся в волокна и образовывал веретенообразную структуру. При использовании Ti3C2Tx MXene поглощение электролита и ионная проводимость достигли превосходных значений 2214% и 3,35 × 10–3 См/см–1 соответственно. Композитная мембрана продемонстрировала превосходную стабильность заряда-разряда при сборке в симметричную батарею Zn//Zn. Кроме того, разработанный сепаратор продемонстрировал высокую гибкость и не изменился в размерах и конструкции после термообработки, что привело к созданию высокопроизводительного сепаратора для Zn-ионного аккумулятора. В целом, композитная мембрана PU/Ti3C2Tx MXene на основе PAN/биологического материала потенциально может использоваться в качестве высокоэффективного сепаратора для Zn-ионных аккумуляторов.

Гибкие электронные устройства в последнее время вызвали широкий интерес в академическом и промышленном секторах. Однако для питания таких устройств необходимы гибкие батареи. Сепараторами являются пористые мембраны в аккумуляторах; они разделяют два электрода, что может вызвать короткое замыкание элемента батареи, если они вступают в контакт друг с другом, и допускают проникающее движение ионных зарядов. Механизм движения ионов определяет работоспособность батареи. Чтобы повысить ионную проводимость, ученым необходимо разработать наиболее важное свойство сепараторов, а именно величину поглощения электролита. Высокая пористость материалов позволяет эффективно поглощать и удерживать электролиты в сепараторе, обеспечивая длительный срок службы аккумуляторов и снижая внутреннее ионное сопротивление аккумуляторных элементов1. Метод электропрядения позволяет получить волокнистую мембрану с исключительно высокой пористостью, высоким соотношением площади поверхности к объему и диаметром волокна от микронного до наноразмера2. Были изучены различные типы электропряденых сепараторов на основе предшественников полимеров; примеры включают поливинилиденфторид (ПВДФ)3,4, поли(винилиденфторид-ко-гексафторпропилен)5, полиимид (ПИ)6, полиакрилонитрил (ПАН)7 и мембраны из стекловолокна, модифицированного полимером8. В этих предшественниках полимеров полярные группы служат координационными центрами движения катионов9. Сепаратор на основе электропряденых мембран из полиуретана (ПУ) на основе ПАН/био с высокой ионной проводимостью был разработан Saisangtham S. et al.10. Наблюдались параметры, влияющие на свойства мембраны, включая концентрацию полимера, приложенное напряжение и расстояние от наконечника до коллектора. Согласно плану эксперимента Тагучи и оптимизации с использованием реляционного анализа Грея, мембрана, изготовленная из концентрации полимера 14 мас.%, приложенного напряжения 25 кВ и расстояния 16 см от наконечника до коллектора, продемонстрировала превосходное поглощение электролита - 1971% и проводимость. 3,11 мСм/см. Электропряденый сепаратор PI обеспечивал поглощение электролита Li 2522% и пористость 92%6. Примечательно, что при использовании электропряденых мембран сообщалось о более высокой скорости C, лучших характеристиках на велосипеде и более низком сопротивлении клеток11. Ключевым методом повышения поглощения электролита является приготовление композитных сепараторов, наполненных пористыми неорганическими частицами, например оксидом алюминия (Al2O3)12, кремнеземом (SiO2)13, диоксидом циркония (ZrO2)12 и диоксидом титана (TiO2)14. Кроме того, неорганические частицы придают механическую прочность и термическую стойкость получаемым композитным сепараторам. Разработана мембрана на основе SiO2/ПВДФ11. Пористость 24 мас.% SiO2 в композите ПВДФ обеспечила увеличение на 120% по сравнению с мембраной из чистого ПВДФ, что привело к увеличению поглощения электролита и ионной проводимости на 128% и 152% соответственно. Кроме того, в материалы сепараторов включаются другие структуры наполнителей для повышения их эффективности; эти структуры включают материалы с высокой пористостью, такие как металлоорганические каркасы (MOF)15 и двумерные (2D) структуры, такие как MXene16. В частности, MXene, вероятно, повышает производительность сепаратора благодаря своей гидрофильной природе.