پیشرفت تحقیق در زمینه غشاهای الیاف شبکه‌ای شده به‌عنوان جداکننده باتری لیتیوم یون

مرجع پلیمر در بازار ایران (پلیم پارت) :

چکیده

برای رفع اشکالات ذاتی جداکننده‌های تجاری بر پایه پلی‌­اولفین، اخیراً غشاهای متخلخل الیاف شبکه‌­ای شده از پلیمرهای مقاوم در برابر حرارت ساخته شده‌­اند، تا نیازهای باتری‌های لیتیوم یون پیشرفته (LIBs) با چگالی انرژی و ایمنی بالا را برآورده نمایند. در این پژوهش، برای اولین‌بار، پیشرفت‌­های اخیر در زمینه غشاهای الیاف شبکه‌­ای شده به‌عنوان جداکننده برای LIBها ارائه شده است. به طور مختصر عملکرد اساسی و الزامات جداکننده‌های متخلخل برای LIB معرفی شده و برتری جداکننده‌های متخلخل الیاف شبکه­‌ای را در مقایسه با جداکننده‌های الیاف معمولی برجسته شده است. سپس، روش‌های آماده‌سازی جداکننده‌های الیاف شبکه­‌ای شده در یک بخش جداگانه، از جمله روش‌های شبکه‌­ای ­حرارتی، چسبندگی و هیدرولیز قلیایی، همراه با اظهارنظر درباره مزایا و عملکردهای مربوطه بیان شده است. در همین حال، چندین جداکننده الیاف شبکه­‌ای شده معمولی که اخیراً گزارش شده‌اند موردبحث قرار می­‌گیرند. براین‌اساس، شکاف‌های تحقیقاتی فعلی و چالش‌های تحقیقاتی آینده جداکننده‌های الیاف شبکه‌­ای خلاصه و پیش‌بینی می‌شوند.

خلاصه و چشم­‌انداز

با پیگیری­‌های روزافزون در زمینه ایمنی و عملکرد ذخیره‌­سازی انرژی LIBهای پیشرفته، طراحی جداکننده­‌های الیاف شبکه‌­ای شده بستر قوی برای ارتقای عملکرد LIBهای تولیدشده به مرحله جدیدی را فراهم می‌­­نماید. در این پژوهش، برای اولین بار، جدیدترین پیشرفت‌­های تحقیقاتی غشاهای الیاف شبکه‌­ای شده برای جداکننده‌ LIBها، با تاکید بر استراتژی‌های ساخت شبکه‌ و عملکرد بهبود­یافته مربوطه بررسی می‌شود. اگرچه تاکنون غشاهای الیافی شبکه‌­ای شده با موفقیت برای ساخت یک سری جداکننده­های LIB با کارایی بالا توسعه یافته‌­اند، اما هنوز چندین چالش حیاتی مانند تحقق ساختارهای شبکه‌­ای سفارشی سازی شده دقیق، جهت افزایش ترشوندگی الکترولیت، ایمنی حرارتی، توسعه آماده سازی ساده اما کارآمد برای تولید انبوه و تنوع بخشیدن به حوزه­‌های کاربردی آن­ها وجود دارد که باید در آینده حل شوند.

• شناسایی روش‌­های آماده­‌سازی

در حال حاضر، غشاهای متخلخل با ساختارهای شبکه­‌ای عمدتاً از فرآوری و اصلاح غشاهای الیافی الکتروریسی شده به دست می‌آیند. با این حال، فناوری الکتروریسی فعلی برای تهیه غشاهای الیافی نبافته هنوز ناکارآمد، زمان‌بر و انرژی‌بر است. توسعه فناوری‌های مؤثرتر یا دستگاه‌های پیشرفته‌تر برای تحقق تولید انبوه با کارآمدی بالا برای غشاهای الیاف شبکه‌­ای ضروری می‌­باشد. از سوی دیگر، بررسی روش‌های اصلاح پیوندهای شبکه‌­ای سبزتر، تمیزتر و کارآمدتر برای بهبود خواص جامع غشاهای الیاف شبکه‌­ای شده نیز نه‌­تنها برای افزایش عملکرد الکتروشیمیایی و ایمنی LIB‌های حاصل، بلکه برای تنوع بخشیدن به کاربردهای آن‌ها در خارج از زمینه LIB ها نیز در آینده امری حیاتی است.

• سفارشی­‌سازی دقیق ساختارهای شبکه‌­ای

به طور کلی، جداکننده‌های متخلخل با تخلخل بالا و اندازه منافذ بزرگ، انتقال یون لیتیوم را تسهیل می‌­نمایند و عملکرد الکتروشیمیایی را بهبود می‌بخشند. با این حال، یک ساختار بیش از حد شبکه­‌ای ناگزیر منجر به کاهش قابل توجه تخلخل و اندازه منافذ می‌­شود، در حالی که درجه شبکه­‌ای کم،ممکن است به دلیل عدم وجود نیروی قوی منجر به پراکندگی یا از هم پاشیدگی الیاف شود. بنابراین، ساختار پیوند شبکه‌­ای غشای الیافی باید به میزان مناسبی تنظیم شود، با هدف ایجاد مقاومت مکانیکی و پایداری حرارتی به جداکننده‌ها، در حالی که تخلخل و اندازه منافذ کافی برای انتقال سریع یون تضمین می‌شود. علاوه بر این، تناقض بین تخلخل و پایداری را می­‌توان با بسیاری از روش­‌های جایگزین الهام گرفته از زمینه های دیگر، مانند پوشش غشاهای شبکه­‌ای بر روی جداکننده­‌های پلی‌­اولفین و ایجاد الکترولیت­های شبکه­‌ای را تا حد زیادی برطرف نمود.

• افزایش ترشوندگی با الکترولیت

قراردادن گروه‌های قطبی بر سطح غشای الیافی دارای پیوند شبکه‌­ای از طریق اصلاح شیمیایی می‌تواند ترشوندگی الکترولیت را بهبود بخشد و حتی با تشکیل پیوند هیدروژنی، پیوندهای یونی و پیوندهای کووالانسی، استحکام مکانیکی جداکننده را افزایش دهد. در پژوهش‌های آینده، با ترکیب فناوری شبیه‌سازی رایانه‌ای، طراحی ساختاری معقول و اصلاح شیمیایی روی سطح الیاف شبکه­‌ای شده در سطح مولکولی می‌تواند برای ارائه غشاهای الیافی چند منظوره با ترشوندگی الکترولیت بهبودیافته، استحکام مکانیکی بالا،پایداری فیزیکی/شیمیایی/الکتروشیمیایی و حتی عملکردهای خاص دیگر انجام شود

• ایمنی حرارتی

بهبود قابل توجه پایداری حرارتی جداکننده برای عملکرد LIBها امری حیاتی است. از یک طرف، طراحی غشاهای الیاف شبکه­‌ای مقاوم در برابر شعله می­تواند خطر احتراق LIB های تحت خطرات حرارتی را تا حد زیادی کاهش دهد. از طرف دیگر، ساخت غشا الیافی چندلایه دارای پیوند شبکه­‌ای با ویژگی خاموش شدن حرارتی، که با آن ساختار متخلخل جداکننده را بتوان به موقع در دمای بحرانی بست، عملکرد غیرعادی LIB ها را مسدود نموده و به‌­طور موثر از فرار حرارتی LIBs جلوگیری نمود.

دانلود فایل : پیشرفت تحقیق در زمینه غشاهای الیاف شبکه­ای شده به‌عنوان جداکننده باتری لیتیوم یون

Reference

Deng J, Xie J, Zhang G, Yang X. Research progress of cross-linked fiber membranes for lithium-ion battery separators. Chemical Engineering Science. 2023 Jun 7:118970. 

DOI: 10.1016/j.ces.2023.118970

ترجمه و ویرایش: هانیه میران موسوی