Cellulose based Hybrid Separators for High Performance Li-ion Batteries

Öz

Separators not only affect the safety but also electrochemical performance and they are important components in lithium ion batteries. Many researches have been conducted to fabricate separators with high electrochemical properties and high thermal stability. High porosity is important for high performance and thermal stability is vital for safety of the cells. Electrospinning can be used to produce nanofibers with high thermal stability and high porosity. Ceramic particles could also be used to improve electrochemical performance. Electro-spraying can be applied to incorporate ceramic nanoparticles in separators. Cellulose based hybrid nanofiber membrane separators were prepared via electrospinning and electro-spraying. Morphology and structural properties of hybrid separators were studied by using SEM, XRD and FTIR. N-butanol was used for porosity measurements. EIS were used for ionic conductivity and interfacial resistance studies. Electrochemical performance of the hybrid separators was also evaluated for use as separator membrane in lithium-ion batteries. It was found that cellulose hybrid nanofiber membranes had superior electrochemical performance with good electrochemical stability due to large porosity of nanofibers and electro-sprayed SiO2 nanoparticles. Large liquid electrolyte uptake of 240%, high electrochemical oxidation limit of over 4.5 V, and low interfacial resistance of 190 ohm·cm2 with lithium were observed when hybrid membranes were used in Li/LiFePO4 cells. In addition, high cell capacities of above 160 mAh/g and good cycling performance were demonstrated.

Anahtar Kelimeler

• electrospinning
• separators
• batteries

Yüksek Performanslı Lityum iyon Bataryaları için Selüloz Hibrit Ayırıcılar

Öz

Lityum iyon bataryalarda ayırıcılar sadece güvenliği değil elektrokimyasal performansı da etkiler ve bataryalarda önemli bir bileşendir. Yüksek elektrokimyasal özelliklere ve yüksek ısıl dayanıma sahip ayırıcı geliştirmek için birçok araştırma yapılmaktadır. Yüksek gözeneklilik performans için ve ısıl dayanım batarya güvenliği açısından önem taşımaktadır. Elektroeğirme tekniği ile yüksek ısıl dayanım ve yüksek gözenekliliğe sahip nanolifler üretilebilir. Ayrıca seramik parçacıkları elektrokimyasal performansı arttırmak için kullanılabilir. Elektro-spray işlemi ile seramik nanoparçacıklar içeren ayırıcılar üretilebilir. Çalışmada elektroeğirme ve elektro-spray teknikleri kullanılarak selüloz hibrit ayırıcılar üretilmiştir. Hibrit ayırıcıların morfoloji ve yapısal özellikleri SEM, XRD ve FTIR kullanılarak incelenmiştir. Gözeneklilik ölçümleri için N butanol kullanıldı. İyonik iletkenlik ve arayüzey dirençleri için ise EIS kullanıldı. Hibrit ayırıcıların lityum iyon bataryalarında elektrokimyasal performansları incelendi. Yüksek gözeneklilik ve SiO2 parçacıkları elektrokimyasal performansın yüksek ve elektrokimyasal dayanımın iyi olmasına katkı sağladı. Li/LiFePO4 bataryalarında hibrit ayırıcı kullanıldığında yüksek elektrolit adsorpsiyonu, 240%, yüksek elektrokimyasal dayanım, >4.5V, lityum ile düşük arayüz direnci 190 ohm·cm2 gözlendi. Ayrıca, 160 mAh/g ın üzerince kapasite ve iyi şarj-deşarj performansı görüldü.

Anahtar Kelimeler

• electrospinning
• batteries
• separators

Kaynakça

1. Ahn, J. H., You, T.-S., Lee, S.-M., Esken, D., Dehe, D., Huang, Y.-C., & Kim, D.-W. (2020). Hybrid separator containing reactive, nanostructured alumina promoting in-situ gel electrolyte formation for lithium-ion batteries with good cycling stability and enhanced safety. Journal of Power Sources, 472, 228519.
2. De Freitas, R. R., Senna, A. M., & Botaro, V. R. (2017). Influence of degree of substitution on thermal dynamic mechanical and physicochemical properties of cellulose acetate. Industrial crops and products, 109, 452-458.
3. Fei, P., Liao, L., Cheng, B., & Song, J. (2017). Quantitative analysis of cellulose acetate with a high degree of substitution by FTIR and its application. Analytical Methods, 9(43), 6194-6201.
4. Lee, H., Yanilmaz, M., Toprakci, O., Fu, K., & Zhang, X. (2014). A review of recent developments in membrane separators for rechargeable lithium-ion batteries. Energy & Environmental Science, 7(12), 3857-3886.
5. Yanilmaz, M. (2020). Evaluation of electrospun PVA/SiO2 nanofiber separator membranes for lithium-ion batteries. The Journal of The Textile Institute, 111(3), 447-452.
6. Yanilmaz, M., Zhu, J., Lu, Y., Ge, Y., & Zhang, X. (2017). High-strength, thermally stable nylon 6, 6 composite nanofiber separators for lithium-ion batteries. Journal of Materials Science, 52(9), 5232-5241.
7. Zaidi, S. D. A., Wang, C., Shao, Q., Gao, J., Zhu, S., Yuan, H., & Chen, J. (2020). Polymer-free electrospun separator film comprising silica nanofibers and alumina nanoparticles for Li-ion full cell. Journal of Energy Chemistry, 42, 217-226.
8. Zhao, X., Wang, W., Huang, C., Luo, L., Deng, Z., Guo, W., . . . Meng, Z. (2021). A novel cellulose membrane from cattail fibers as separator for Li-ion batteries. Cellulose, 1-13.