Substrat bicouche PET/PVDF

22 mars 2023

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par l'Université de Shinshu

Le stockage efficace de l'énergie est primordial pour la transition de la société vers les énergies renouvelables. Les batteries au lithium métal (LMB) ont le potentiel de doubler la quantité d'énergie stockée en une seule charge par rapport aux batteries lithium-ion (LIB) actuelles, mais la croissance des dendrites de lithium et la consommation d'électrolyte dans les technologies LMB actuelles entravent les performances de la batterie.

Les substrats pour électrolytes polymères solides (SPE) offrent une solution potentielle aux limitations actuelles des LMB, mais les SPE nécessitent leur propre optimisation avant leur intégration dans des systèmes LMB à l'état solide (ASSLMB).

Une équipe d'éminents scientifiques de l'Université de Shinshu, de l'Université de Kyoto et de l'Université de Sungkyunkwan a récemment signalé le développement d'une membrane bicouche non tissée en microfibre de polyéthylène téréphtalate (PET)/nanofibre de fluorure de polyvinylidène (PVDF) utilisant une méthode de pressage mécanique, qui agit comme un séparateur pour LIB systèmes pour éviter les courts-circuits entre les électrodes.

Le séparateur a démontré une mouillabilité améliorée, ou la capacité du liquide électrolytique contenant des ions lithium à entrer en contact avec les électrodes, et la stabilité thermique du système de batterie. Il est important de noter que cette membrane bicouche peut également être utilisée dans les SPE des systèmes LMB pour empêcher la croissance néfaste des dendrites de lithium et les défaillances structurelles.

Dans leur étude de recherche actuelle, l'équipe de recherche a généré un substrat PET/PVDF (nPPV) non tissé bicouche similaire en utilisant une méthode d'électrofilage pour empêcher la formation de vides et de plis entre les deux couches qui réduisent la longévité de la couche de PVDF. L'étude a caractérisé les électrolytes polymères solides renforcés par nPPV (nPPV-SPE) pour leurs propriétés mécaniques, thermiques et électrochimiques, et les tests ont confirmé que le substrat améliorait considérablement les performances des systèmes ASSLMB.

L'équipe a publié ses résultats en ligne dans Journal of Power Sources.

"Compte tenu des faibles performances de cyclage (cycles de charge-décharge) des SPE issues de faibles propriétés mécaniques et thermiques, ce projet s'est concentré sur la fabrication de SPE renforcés par un substrat bicouche composé d'une couche de tissu non tissé PET et d'une couche de nanofibres PVDF pour améliorer la stabilité structurelle et donc les performances de cycle des SPE », a déclaré Ick Soo Kim, auteur correspondant de l'étude et professeur au groupe de recherche sur la technologie de nano fusion à l'Institut d'ingénierie des fibres (IFES) de l'université de Shinshu.

Il est important de noter que les SPE constitués de matrices polymères et de sels de lithium présentent des propriétés telles que la flexibilité et la capacité de traitement qui sont compatibles avec les électrodes LMB. La méthode d'électrofilage élimine également les plis et les vides générés par la méthode de pressage entre les couches de PET et de PVDF, fournissant une méthode de fabrication simple, facile et adaptable pour les membranes en nanofibres.

« Les nanofibres produites à l'aide d'un équipement d'électrofilage à l'échelle industrielle par LEMON CO., Ltd. garantissent une taille de pore petite et uniforme avec une porosité élevée, s'adaptant ainsi aux matériaux polymères et aux sels de lithium sans affecter la diffusion des ions et en améliorant la stabilité à l'oxydation électrochimique », a déclaré Kim.

Pour cette étude, des nanofibres de PVDF ont été électrofilées directement sur la couche de microfibre PET pour produire un matériau bicouche plus robuste. Une stabilité structurelle améliorée permet aux SPE de supporter les réactions chimiques se produisant dans le système pendant les cycles de charge et de recharge à plus long terme.

"Le substrat bicouche améliore considérablement les propriétés mécaniques et thermiques des électrolytes polymères solides, ce qui permet à la cellule de fonctionner pendant plus de 2000 heures", a déclaré Kim. De plus, la haute résistance à la traction du matériau supprime la croissance des dendrites de lithium, l'un des défis importants des systèmes LMB.

Malgré les progrès de la technologie SPE, l'équipe de recherche reconnaît que davantage de travail est nécessaire pour réaliser le potentiel des électrolytes à l'état solide (SSE) comme les SPE.

"La stabilité améliorée de la structure des SPE garantit une longue durée de vie et une utilisation sûre des batteries au lithium, mais les performances de débit et la mobilité du lithium des SPE sont toujours inférieures aux électrolytes liquides des batteries lithium-ion. La prochaine étape consiste à améliorer la conductivité ionique pour répondre aux exigences de charge et de décharge rapides », a déclaré Kim. Les chercheurs prévoient que des substrats supplémentaires seront étudiés pour améliorer encore les propriétés électrochimiques des SPE et faire progresser la technologie du système ASSLMB.

Plus d'information: Lei Sun et al, Propriétés améliorées des électrolytes polymères solides par un substrat bicouche PET/nanofibre PVDF non tissé pour une utilisation dans des batteries au lithium métal à l'état solide, Journal of Power Sources (2023). DOI : 10.1016/j.jpowsour.2023.232851