پیشرفت‌های اخیر جداکننده‌های کامپوزیتی بر اساس عملکرد بالای الیاف برای باتری‌های لیتیوم_یون

چکیده

مرجع پلیمر در بازار ایران (پلیم پارت) : جداکننده که جزء ضروری باتری‌های لیتیوم _ یون است، تاثیر قابل توجهی بر ایمنی و عملکرد باتری دارد. در سال‌های اخیر الیاف با کارایی بالا که همان نسل جدید الیاف‌های مصنوعی‌اند با استحکام بالا، مدول بالا، مقاومت در دمای بالا، مقاومت در برابر خوردگی، بازدارندگی شعله و چگالی کم به‌طور گسترده به‌عنوان مواد خام یا زیرلایه‌ی جداکننده‌های باتری‌های لیتیوم_یون استفاده شده‌اند. بنابراین در این مقاله تحلیلی با اشاره به کاستی‌ها و مشکلات در رابطه با جداکننده‌‌های پلی‌‌‌اولفینی تجاری موجود ارائه شده و به دنبال آن خلاصه‌ای از راه حل‌های این مسائل بررسی می‌گردد. سپس بیانی مختصر در مورد برخی از جداکننده‌‌های مبتنی‌بر فیبر با عملکرد بالا که اخیرا گزارش شده‌اند ارائه می‌شود. همچنین تحلیلی جامع حول محور فناوری‌‌های به‌کار رفته برای افزایش ایمنی و یا عملکرد باتری‌های لیتیوم _ یون یا باتری‌های لیتیوم _سولفور خواهیم داشت. در نهایت ما یک دور نمای کلی از عملکرد جداکننده‌ی مبتنی‌بر فیبر در سطوح بالا ارائه می‌دهیم و چند مورد نگران کننده که می‌تواند مورد بررسی قرار گیرد پیشنهاد می‌گردد. امیدواریم این بررسی بتواند چراغی را برای محققان در زمینه جداکننده‌‍‌ها که فعالیت خود را به بهبود عملکرد و ایمنی باتری اختصاص داده‌اند، روشن نماید.

نتایج‌ و دیدگاه‌ها

جداکننده به‌عنوان یک جزء مهم از باتری‌های لیتیوم _ یون نه تنها از تماس فیزیکی مستقیم بین آند‌ و کاتد و همچنین از اتصال کوتاه در باتری جلوگیری می‌نماید بلکه به‌عنوان یک وسیله ذخیره سازی برای الکترولیت و به‌عنوان کانالی برای انتقال یون عمل می‌نماید. با این حال به دلیل پایداری حرارتی پایین‌تر و ترشوندگی کم، جداکننده‌‌های پلی‌اولفینی مرسوم کنونی قادر به برآورده کردن الزامات و قابلیت‌های کاربردی با عملکرد بالا نیستند. دو راهکار امکان‌پذیر برای بهبود همه جانبه جداکننده‌ها وجود دارد که می‌توان به اصلاح جداکننده‌های پلی‌اولفینی تجاری و یا تولید و توسعه جداکننده‌های جدید با مواد جدید اشاره نمود. الیاف با عملکرد بالا، خواص زیادی دارند از جمله: مدول بالا، استحکام بالا، مقاومت در برابر حرارت بالا، ترشوندگی بالای الکترولیت‌ها و چگالی کم، که این ویژگی‌ها این الیاف را به گروه امیدوارکننده و مناسبی از مواد جداکننده برای نسل‌های جدید باتری‌های لیتیوم – یون با عملکرد بالا تبدیل می‌نماید.

با در نظر گرفتن پایداری حرارتی و خواص مکانیکی برتر این الیاف در مقایسه با پلی‌اولفین‌ها، بسیاری از مطالعات نشان می‌دهند جداکننده‌هایی که فقط از الیاف با عملکرد بالا تشکیل شده‌اند نمی‌توانند همه خواص مطلوب را به‌طور همزمان داشته باشند. به‌عنوان مثال، ترشوندگی جداکننده الیاف آرامید بسیار خالص نسبتاً ضعیف است. خواص مکانیکی الیاف بافته نشده خالص پلی‌آمید و پلی‌فنیل سولفید که توسط الکتروریسی تهیه شده‌اند بسیار ضعیف و توزیع اندازه منافذ آنها نسبتاً ناهمسان است. الیاف شیشه بافته نشده که عمدتاً برای باتری‌های لیتیوم – سولفور استفاده می‌شوند توانایی اندکی در متوقف کردن اثر تردد بی‌رویه یون‌ها دارند. بنابراین در تحقیقات موجود الیاف با عملکرد بالا از قبیل الیاف آرامید، الیاف پلی‌آمید ، الیاف پلی‌فنیل سولفید، الیاف شیشه و الیاف کربن نه تنها به‌عنوان لایه‌های کاربردی برای اصلاح سطح جداکننده‌های پلی‌اولفین استفاده می‌گردند بلکه برای تهیه جداکننده چندلایه، جداکننده عملکردی یا جداکننده کامپوزیتی می‌توان استفاده نمود.

اگرچه جداکننده‌هایی که بر پایه این الیاف تهیه می‌شوند توجه زیادی را به خود جلب نموده‌اند و پتانسیل زیادی در توسعه باتری‌های لیتیوم_یون با کارایی و ایمنی بالا از خود نشان می‌دهند، با این حال اکثر تحقیقات در مورد جداکننده‌های الیاف با عملکرد بالا هنوز در مرحله آزمایشگاهی هستند. از دیدگاه ما تلاش‌های تحقیقاتی آینده در مورد الیاف با عملکرد بالا و جداکننده‌هایی مبتنی‌بر آنها باید بر موارد زیر تمرکز داشته باشند:

• مزیت حفظ عملکرد بالا و بهبود عملکرد جامع جداکننده‌های مبتنی ‌بر الیاف با کارایی بالا.

عملکرد جامع جداکننده با یک سری ویژگی‌ها مانند ضخامت، اندازه منافذ، تخلخل، تر شوندگی، جذب الکترولیت، هدایت یونی، استحکام مکانیکی، توانایی خاموش شدن، پایداری حرارتی، پایداری‌ شیمیایی و الکتروشیمیایی و … تعیین می‌شود. برای تولید جداکننده‌های مناسب باتری‌های لیتیوم_یون با چگالی انرژی بالا، تنها کنترل و تنظیم ضخامت و ساختار متخلخل جداکننده مبتنی ‌بر فیبر ضروری نیست، بلکه علاوه‌بر آن باید اطمینان حاصل شود که جداکننده تهیه شده همچنان خواص و مزایای الیاف با عملکرد بالا را دارد و در عین حال بر نقاط ضعف جداکننده مبتنی‌بر الیاف بافته نشده غلبه می‌نماید. بنابراین لازم است تحقیقات بیشتری در مورد روش ساخت و همچنین کامپوزیت‌ها یا مواد اصلاح شده که می‌توانند با الیاف جهت حفظ خواص مطلوب آنها ترکیب شود، انجام شود.

• بررسی روش‌های مقرون به صرفه جهت تولید صنعتی جداکننده‌های مبتنی‌بر الیاف با عملکرد بالا.

روش‌های اصلی که در حال حاضر برای تهیه جداکننده‌های مبتنی‌بر این الیاف استفاده می‌گردد عبارتند از: الکتروریسی، فیلتراسیون تحت خلاء، جدایش فازی و کاغذ سازی. اگرچه اکثر جداکننده‌های مبتنی‌بر الیاف با عملکرد بالا که با روش‌های گفته شده تهیه شده‌اند، کارایی بسیار بالایی دارند اما روش الکتروریسی زمانبر است و بهره‌وری الیاف بافته نشده الکتروریسی شده را محدود می‌نماید، همچنین فرآیند‌های فیلتراسیون تحت خلاء را نمی‌توان برای تولید در مقیاس بزرگ استفاده نمود و جدایش فازی نیز دارای پارامتر‌های تجربی زیاد و کنترل شرایط دشوار می‌باشد. در مقابل، روش کاغذ سازی به دلیل فرآیند‌های ساده و سازگار با محیط زیست، مقرون به صرفه بودن و عدم ایجاد ضررهای آشکار، امیدوارکننده‌ترین فناوری برای تهیه جداکننده‌های مبتنی‌بر الیاف است. با‌این‌حال مطالعات اندکی با استفاده از روش کاغذ سازی انجام شده است، تنها ژان[1] و همکاران که از این روش در تهیه جداکننده‌های کامپوزیت پلی‌فنیل سولفید استفاده نمودند و پن[2] و همکاران که در تهیه جداکننده چندلایه CNF/GMF[3] از این روش استفاده کردند را می‌توان نام برد. بنابراین باید به توسعه و بهینه‌سازی فناوری و دستگاه‌های آماده‌سازی جهت دستیابی به تولید مستمر و در مقیاس صنعتی توجه بیشتری شود.

• گسترش کاربردهای جداکننده‌های مبتنی‌بر الیاف با کارایی بالا در باتری‌های قابل شارژ لیتیوم – یون با چگالی انرژی بالا.

با پیچیده‌تر شدن امکانات الکترونیکی قابل حمل و نقل و افزایش تقاضا برای وسایل نقلیه الکترونیکی و ذخیره‌سازی برق از منابع تجدیدپذیر، تقاضا برای باتری‌هایی که ذخیره سازی بیشتر شارژ و چگالی انرژی بالاتری را داشته باشند، بیشتر شده است. علاوه ‌بر‌این به دلیل ظرفیت‌های تئوری پایین مواد الکترود فعال، باتری‌های مرسوم لیتیوم–یون قادر به فراهم کردن دستگاه‌های ذخیره انرژی با کارایی بالا نیستند. بنابراین نیاز به توسعه باتری‌های قابل شارژ جدید و پیشرفته‌تر وجود دارد. در‌حال ‌حاضر فناوری‌های لیتیوم–یون آینده[4] مانند باتری‌های لیتیوم–سولفور، باتری‌های لیتیوم-اکسیژن و باتری‌های آبی[5] با انرژی بالا به شدت در حال پیگیری هستند. با این وجود که جداکننده‌های مبتنی‌بر الیاف کارآمد که توسط تحقیقات فعلی تولید شده‌اند، هنوز عمدتاً در باتری‌های لیتیوم-یون استفاده می‌گردند، پیش از این فقط از الیاف شیشه و الیاف کربن برای تهیه جداکننده‌های باتری‌های لیتیوم–یون استفاده می‌گردید. بنابراین تحقیق روی جداکننده‌های مبتنی‌بر الیاف با عملکرد بالا باید همگام با زمان و با تمرکز بر کاربرد آنها در باتری‌هایی با چگالی انرژی بالا باشد.

[1] Zhu CQ

[2] Pan

[3] Cellulose nanofiber/ glass microfiber

[4] Post lithium–ion battery

[5] Aqueous battery

source : Yu L, Gu J, Pan C, Zhang J, Wei Z, Zhao Y. Recent developments of composite separators based on high-performance fibers for lithium batteries. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2022 Aug 6:107132.

ترجمه و ویرایش : شیرین میران موسوی

هانیه میران موسوی