Une équipe de chercheurs a récemment publié un article de recherche dans la revue Interfaces matérielles avancées qui a démontré les caractéristiques bénéfiques des séparateurs à base de cellulose bactérienne (BC) dans les applications de batteries au lithium-soufre (Li-S).
Stady : Comprendre les caractéristiques utiles d’un séparateur bactérien à base de cellulose dans une batterie Li-S. Crédit d’image : RESTOCK images / Shutterstock.com
Contexte
Les batteries Li-S ont reçu beaucoup d’attention en tant que systèmes de stockage d’énergie de nouvelle génération en raison de leur respect de l’environnement et de leur haute densité énergétique. Le séparateur est l’un des composants essentiels des batteries Li-S qui affecte les performances de la batterie, car il sépare l’anode et la cathode et empêche un court-circuit dans la batterie.
Le séparateur affecte l’homogénéité entre l’électrolyte et l’électrode et le transfert d’ions entre les électrodes. Les séparateurs en polypropylène (PP) et en polyéthylène (PE) sont largement utilisés comme séparateurs de batterie. Cependant, ces séparateurs présentent une faible sélectivité pour le transport des ions et une mauvaise compatibilité avec l’anode Li, ce qui les rend moins adaptés aux applications de batterie Li-S.
La cellulose, une ressource abondante, naturelle et renouvelable, est une alternative appropriée aux séparateurs traditionnels en polyoléfine utilisés dans diverses batteries secondaires en raison de sa grande résistance mécanique et de sa stabilité thermique élevée, garantissant des performances de sécurité accrues.
Les groupes hydroxyle de la cellulose facilitent la régulation du transport des ions dans la batterie. Les cellules utilisant des masques à base de cellulose comme séparateurs ont montré une forme d’anode Li uniforme et des performances de charge-décharge exceptionnelles sur 200 h. De plus, les séparateurs de cellulose nanoporeuse ont montré des performances sans dendrites pendant 500 h.
Bien que plusieurs études aient démontré les performances exceptionnelles des batteries utilisant différents séparateurs à base de cellulose, le manque de compréhension détaillée des diverses caractéristiques bénéfiques des séparateurs à base de cellulose, en particulier des séparateurs à base de BC, dans les batteries Li-S entrave l’utilisation généralisée de ces derniers. entretoises.
Images SEM de la surface et de la coupe transversale du BC-1 Pére) aérogel et grand-père) Séparateur PP. e) n2 adsorption – adsorption isotherme de différents aérogels BC. F) Capacités de stockage d’électrolyte des séparateurs PP et BC. g) Stabilité thermique de différents joints sous différentes températures. Crédit image : Li, J et al., Interfaces de matériaux avancés
l’étude
Dans cette étude, les chercheurs ont préparé des modèles de séparateurs BC de différentes épaisseurs et les ont comparés avec des séparateurs PP en termes de performances électrochimiques. Le but de l’étude était de confirmer la capacité des séparateurs à base de cellulose à améliorer les performances de la batterie Li-S en régulant le lithium-ion (Li+) dépôt sur l’anode et régulation du mouvement des espèces ioniques, telles que Li+ et les polysulfures de lithium (LiPS).
L’hydrogel BC, l’hydroxyde de sodium et le sulfure de lithium ont été utilisés comme matières premières. L’épaisseur du séparateur BC a été contrôlée dans le processus de fermentation microbienne. Dans ce processus, un milieu nutritif aqueux commun a été utilisé pour faire pousser des bactéries, puis le BC a été produit sous forme de polysaccharide exogène à l’interface milieu/air.
Un gel épais, appelé pellicule, constitué de 99% d’eau et d’un réseau interconnecté BC poreux tridimensionnel (3D) a été obtenu. Ensuite, la protéine dans l’hydrogel BC a été éluée en la trempant dans une solution de NaOH à 5% et en la chauffant à 80 sC pendant plusieurs heures, puis finalement lavé avec de l’eau déminéralisée.
L’hydrogel BC purifié résultant a été stocké dans une solution aqueuse à 4 sC puis lyophilisé pendant 24 heures à 10-6 bar pression f −52 sTempérature C pour obtenir l’aérogel BC. Enfin, l’aérogel BC a été découpé en disques de 19 mm sous forme d’entretoises de cinq, trois et un mm d’épaisseur et identifiés respectivement par BC-5, BC-3 et BC-1.
La diffraction des rayons X, la microscopie électronique à balayage, la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier et la spectroscopie électronique aux rayons X ont été réalisées pour caractériser les échantillons composites. Les changements dans les dimensions des joints à différentes températures ont été enregistrés pour mesurer leur stabilité thermique.
Les chercheurs ont évalué le taux d’absorption de l’électrolyte, la capacité de stockage de l’électrolyte et la porosité du séparateur. Le package de simulation ab initio de Vienne a été utilisé pour effectuer une simulation théorique des énergies de liaison. Les chercheurs ont également effectué des mesures électrochimiques sur des échantillons d’espaceurs BC préparés et des tests de navette optique en polysulfure.
une) Profils de tension des cellules au lithium homologues avec PP et BC-1. Images SEM de la surface d’une anode de lithium arrondie (après 680 h) dans une cellule homologue avec b) PP ou c) BC-1. Spectres XPS haute résolution d’une surface d’anode de lithium arrondie dans une cellule homologue à d) PP ou e) BC-1. Crédit image : Li, J et al., Interfaces de matériaux avancés
Remarques
Des séparateurs BC d’épaisseurs variables ont été fabriqués avec succès. Les séparateurs BC ont montré une meilleure absorption de l’électricité et une meilleure mouillabilité par rapport aux séparateurs PP commerciaux en raison de l’abondance de groupes hydroxyle et de la porosité élevée, ce qui a entraîné une amélioration de Li+ amélioration de la portabilité et de la compatibilité des interfaces.
Les séparateurs empêchent également la formation de dendrites de Li, ce qui conduit à un dépôt uniforme de Li sur l’anode. De plus, les séparateurs ont montré une stabilité thermique élevée, ce qui a permis d’améliorer les performances de sécurité de la batterie. De plus, les groupes fonctionnels oxygène BC ont supprimé la transition des polysulfures solubles par une adsorption efficace des polysulfures par le biais d’interactions électrostatiques.
une) courants de navette pour différentes entretoises ; B) Les taux de décroissance du courant navette sont calculés après que le courant à l’état stable de la cellule lithium-soufre est atteint. Les équations algébriques expriment le taux de décroissance. Crédit image : Li, J et al., Interfaces de matériaux avancés
La cellule réplique avec séparateur BC a montré des performances électrochimiques sûres pendant 680 h en raison de la formation d’oxyde de lithium (Li2O) de cellulose et d’une fibre squelette métallique tridimensionnelle. La relation quantitative entre la perte d’amplitude et les propriétés physiques du séparateur a été décrite avec succès en optimisant le modèle mathématique. La cellulose a joué un rôle unique dans le processus de transport de masse LiPS.
Pour résumer, les résultats de cette étude clarifient la faisabilité de l’utilisation des séparateurs BC comme matériau de batterie approprié pour les batteries Li-S à haute densité d’énergie et autres batteries Li-métal et valident l’hypothèse sur les caractéristiques bénéfiques des séparateurs à base de cellulose pour Li-S. applications de batterie.
À l’avenir, les connaissances acquises dans cette étude sur les caractéristiques utiles des séparateurs BC pourraient fournir une base théorique pour la conception de séparateurs fonctionnels BC pour les batteries.
références
Li, J., Li, Y., Li, Z., et d’autres. (2022) Comprendre les caractéristiques utiles d’un séparateur bactérien à base de cellulose dans une batterie Li-S. Interfaces matérielles avancées. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/admi.202201730
