(Phys.org)—För att förhindra kortslutning i batterier, porösa separatormembran placeras ofta mellan ett batteris elektroder. Det är vanligtvis en avvägning involverad, eftersom dessa separatorer samtidigt måste förhindra läckström mellan elektroderna samtidigt som de tillåter joner att passera genom de porösa kanalerna för att generera ström. Konventionellt, dessa membran är gjorda av syntetiska material, såsom polymerer.

I en ny studie publicerad i Nanobokstäver , forskare från Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) i Sydkorea har designat en cellulosa nanomat, eller "c-mat, " separatormembran som innehåller ett tunt lager av nanoporös växtcellulosa ovanpå ett tjockt makroporöst polymerlager.

Genom att finjustera tjockleken på de två lagren, forskarna kunde designa ett separatormembran som noggrant balanserar avvägningen mellan att förhindra läckström och stödja snabb jontransport.

Med sina små porer, det nanoporösa cellulosaskiktet förhindrar läckström mellan elektroderna, förhindrar kortslutningar. Å andra sidan, det makroporösa polymerskiktets porösa kanaler är för stora för att förhindra läckström mellan elektroderna, men deras stora storlek gör det möjligt för dem att fungera som "joniska motorvägar" för att snabbt transportera laddningar.

Den nya separatorn har en annan stor fördel:vid höga temperaturer (60 °C), batterier med de nya separatormembranen har en kapacitetsretention på 80 % efter 100 cykler, medan batterier med typiska kommersiella polymerseparatorer bibehåller bara 5 % av sin initiala kapacitet efter 100 cykler vid samma temperatur.

Forskarna förklarar att den stora kapacitetsförlusten i de kommersiella batterierna vid hög temperatur uppstår på grund av oönskade bireaktioner mellan litiumsalter och vatten, som producerar skadliga biprodukter som manganjoner. Det nanoporösa cellulosabaserade skiktet i de nya separatormembranen har en mangan-kelaterande förmåga, så att det binder till manganjonerna och hindrar dem från att delta i de reaktioner som orsakar kapacitetsförlust. Dessutom, det makroporösa polymerskiktet fångar de sura reaktanterna som producerar manganjonerna, vilket resulterar i färre av dessa joner i första hand.

"Vi visar i detta arbete att den kemiskt aktiva cellulosabaserade c-mat-separatorn kan mildra de manganjoninducerade negativa effekterna, "medförfattare Sang-Young Lee, Professor vid UNISTs School of Energy and Chemical Engineering, berättade Phys.org . "Detta möjliggör en anmärkningsvärd förbättring av högtemperaturcykelprestanda långt utöver vad som är uppnåeligt med konventionell membranteknologi."

I framtiden, forskarna planerar att modifiera separatorerna för potentiell användning i nästa generations uppladdningsbara batterier som natriumjon, litium-svavel, och metalljonbatterier.

"C-mat-separatorn förväntas användas för nästa generations högpresterande batterier med hög temperaturstabilitet - till exempel, i stora batterier för elfordon och ellagringssystem i nätskaliga, " sa Lee.

Förutom dess användning som ett batteriseparatormembran, c-mat-separatorn har också potentiella tillämpningar i membran för avsaltningssystem, samt för miljövänliga sensorer för tungmetalljoner.

© 2016 Phys.org