(Phys.org)—Om kortsluiting in batterijen te voorkomen, poreuze scheidingsmembranen worden vaak tussen de elektroden van een batterij geplaatst. Er is meestal sprake van een afweging, aangezien deze scheiders tegelijkertijd lekstroom tussen elektroden moeten voorkomen, terwijl ze ionen door de poreuze kanalen moeten laten gaan om stroom te genereren. conventioneel, deze membranen zijn gemaakt van synthetische materialen, zoals polymeren.

In een nieuwe studie gepubliceerd in Nano-letters , onderzoekers van het Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) in Zuid-Korea hebben een nanomat van cellulose ontworpen, of "c-mat, "separatormembraan dat een dunne laag nanoporeuze plantaardige cellulose bevat bovenop een dikke macroporeuze polymeerlaag.

Door de diktes van de twee lagen fijn af te stemmen, de onderzoekers waren in staat om een ​​scheidingsmembraan te ontwerpen dat de afweging tussen het voorkomen van lekstroom en het ondersteunen van snel ionentransport op subtiele wijze in evenwicht brengt.

Met zijn kleine poriën, de nanoporeuze celluloselaag voorkomt lekstroom tussen elektroden, het voorkomen van kortsluiting. Anderzijds, de poreuze kanalen van de macroporeuze polymeerlaag zijn te groot om lekstroom tussen elektroden te voorkomen, maar door hun grote omvang kunnen ze functioneren als "ionische snelwegen" om snel ladingen te vervoeren.

De nieuwe afscheider heeft nog een ander groot voordeel:bij hoge temperaturen (60 °C) batterijen met de nieuwe scheidingsmembranen hebben een capaciteitsbehoud van 80% na 100 cycli, terwijl batterijen met typische commerciële polymeerscheiders slechts 5% van hun initiële capaciteit behouden na 100 cycli bij dezelfde temperatuur.

De onderzoekers leggen uit dat het grote capaciteitsverlies in de commerciële batterijen bij hoge temperatuur optreedt als gevolg van ongewenste nevenreacties tussen lithiumzouten en water, die schadelijke bijproducten zoals mangaanionen produceert. De op nanoporeuze cellulose gebaseerde laag van de nieuwe separatormembranen heeft een mangaan-chelerend vermogen, zodat het zich bindt aan de mangaanionen en voorkomt dat ze deelnemen aan de reacties die capaciteitsverlies veroorzaken. In aanvulling, de macroporeuze polymeerlaag vangt de zure reactanten op die de mangaanionen produceren, wat resulteert in minder van deze ionen in de eerste plaats.

"We laten in dit werk zien dat de chemisch actieve, op cellulose gebaseerde c-mat-scheider de door mangaanionen geïnduceerde nadelige effecten kan verminderen, " co-auteur Sang-Young Lee, Professor aan de UNIST School of Energy and Chemical Engineering, vertelde Phys.org . "Dit zorgt voor een opmerkelijke verbetering van de prestaties bij hoge temperaturen die veel verder gaan dan wat haalbaar is met conventionele membraantechnologieën."

In de toekomst, de onderzoekers zijn van plan om de afscheiders aan te passen voor mogelijk gebruik in oplaadbare batterijen van de volgende generatie, zoals natrium-ion, lithium-zwavel, en metaal-ionbatterijen.

"De c-mat-scheider zal naar verwachting worden gebruikt voor hoogwaardige batterijen van de volgende generatie met hoge temperatuurstabiliteit, bijvoorbeeld in grote batterijen voor elektrische voertuigen en elektriciteitsopslagsystemen op elektriciteitsnet, ' zei Leen.

Naast het gebruik als membraan voor het scheiden van batterijen, de c-mat separator heeft ook potentiële toepassingen in membranen voor ontziltingssystemen, evenals voor milieuvriendelijke sensoren voor zware metaalionen.

© 2016 Fys.org