Alta absorção de eletrólito de separadores de membrana integrados MXene para Zn

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 19915 (2022) Citar este artigo

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O recente desenvolvimento de separadores com alta flexibilidade, alta absorção de eletrólito e condutividade iônica para baterias ganhou atenção considerável. No entanto, estudos sobre separadores compostos com as propriedades acima mencionadas para eletrólitos aquosos em baterias de íons de Zn são limitados. Nesta pesquisa, uma membrana composta de poliacrilonitrila (PAN)/poliuretano (PU)/Ti3C2Tx MXene de base biológica foi fabricada usando uma técnica de eletrofiação. Ti3C2 MXene foi incorporado em fibras e formou uma estrutura semelhante a um fuso. Com Ti3C2Tx MXene, a absorção de eletrólito e a condutividade iônica atingiram os valores superiores de 2214% e 3,35 × 10−3 S cm−1, respectivamente. A membrana composta apresentou uma excelente estabilidade de carga-descarga quando montada em uma bateria simétrica de Zn//Zn. Além disso, o separador desenvolvido apresentou alta flexibilidade e nenhuma alteração dimensional e estrutural após o tratamento térmico, o que resultou no separador de alto desempenho para a bateria de íons de Zn. No geral, a membrana composta PU/Ti3C2Tx MXene de base biológica PAN/pode ser potencialmente usada como um separador de alto desempenho para baterias de íons de Zn.

Dispositivos eletrônicos flexíveis recentemente ganharam amplo interesse dos setores acadêmico e industrial. No entanto, baterias flexíveis são necessárias para alimentar esses dispositivos. Os separadores são membranas porosas notáveis ​​em baterias; eles separam os dois eletrodos, o que pode causar o curto-circuito da célula da bateria se eles entrarem em contato um com o outro, e permitem o movimento penetrante de cargas iônicas. O mecanismo de movimento dos íons determina o desempenho da bateria. Para aumentar a condutividade iônica, os cientistas devem desenvolver a propriedade mais crucial dos separadores, ou seja, o valor de absorção do eletrólito. A alta porosidade dos materiais permite a absorção e retenção efetiva de eletrólitos no separador, proporcionando uma longa vida útil às baterias e reduzindo a resistência iônica interna das células da bateria1. A técnica de eletrofiação produz uma membrana de fibra de porosidade excepcionalmente alta, alta relação superfície-volume e diâmetros de fibra de mícron a nanométrico2. Vários tipos de separadores eletrofiados baseados em precursores de polímeros foram estudados; exemplos incluem fluoreto de polivinilideno (PVDF)3,4, poli(fluoreto de vinilideno-co-hexafluoropropileno)5, poliimida (PI)6, poliacrilonitrila (PAN)7 e membranas de fibra de vidro modificadas por polímero8. Nesses precursores de polímeros, os grupos polares servem como locais de coordenação para o movimento de cátions9. Saisangtham S. et al.10 desenvolveu um separador baseado em membranas eletrofiadas de poliuretano (PU) de base biológica PAN/com alta condutividade iônica. Os parâmetros que afetam as propriedades da membrana, incluindo concentração de polímero, voltagem aplicada e distância da ponta ao coletor, foram observados. De acordo com o projeto Taguchi do experimento e otimização usando a análise relacional de Gray, a membrana produzida a partir de 14% em peso de concentração de polímero, tensão aplicada de 25 kV e distância de 16 cm da ponta ao coletor exibiu uma excelente absorção de eletrólito de 1,971% e condutividade de 3,11 mS cm-1. O separador eletrofiado PI forneceu 2.522% de absorção de eletrólito de Li e uma porosidade de 92%6. Notavelmente, maior capacidade de taxa C, melhor desempenho de ciclismo e menor resistência celular foram relatados com o uso de membranas eletrofiadas11. A preparação de separadores compostos preenchidos com partículas inorgânicas porosas, por exemplo, alumina (Al2O3)12, sílica (SiO2)13, zircônia (ZrO2)12 e dióxido de titânio (TiO2)14, é uma técnica chave para aumentar a absorção de eletrólitos. Além disso, as partículas inorgânicas desenvolvem a resistência mecânica e a resistência térmica dos separadores compostos resultantes. Uma membrana à base de SiO2/PVDF foi desenvolvida11. A porosidade de 24% em peso de SiO2 no compósito de PVDF foi responsável por 120% de aumento da membrana de PVDF puro, resultando em incrementos de 128% e 152% na absorção de eletrólito e condutividade iônica, respectivamente. Além disso, outras estruturas de preenchimento são incorporadas aos materiais separadores para melhorar seu desempenho; essas estruturas incluem materiais de alta porosidade, como estruturas metálicas orgânicas (MOFs)15 e estrutura bidimensional (2D) como MXene16. Especialmente, o MXene provavelmente aumenta o desempenho do separador devido à sua natureza hidrofílica.