(Phys.org)—Per prevenire cortocircuiti nelle batterie, membrane separatrici porose sono spesso posizionate tra gli elettrodi di una batteria. Di solito è coinvolto un compromesso, poiché questi separatori devono impedire contemporaneamente la corrente di dispersione tra gli elettrodi consentendo al tempo stesso agli ioni di passare attraverso i canali porosi per generare corrente. Convenzionalmente, queste membrane sono realizzate in materiali sintetici, come i polimeri.

In un nuovo studio pubblicato su Nano lettere , ricercatori dell'Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) in Corea del Sud hanno progettato un nanomat di cellulosa, o "c-mat, " membrana separatrice che contiene un sottile strato di cellulosa vegetale nanoporosa sopra uno spesso strato di polimero macroporoso.

Regolando finemente gli spessori dei due strati, i ricercatori sono stati in grado di progettare una membrana separatrice che bilancia delicatamente il compromesso tra la prevenzione della corrente di dispersione e il supporto del trasporto rapido di ioni.

Con i suoi piccoli pori, lo strato di cellulosa nanoporosa impedisce la corrente di dispersione tra gli elettrodi, prevenire cortocircuiti. D'altra parte, i canali porosi dello strato polimerico macroporoso sono troppo grandi per impedire la corrente di dispersione tra gli elettrodi, ma le loro grandi dimensioni consentono loro di funzionare come "autostrade ioniche" per trasportare rapidamente le tariffe.

Il nuovo separatore ha un altro grande vantaggio:ad alte temperature (60 °C), le batterie con le nuove membrane separatrici hanno una capacità di ritenzione dell'80% dopo 100 cicli, mentre le batterie con i tipici separatori di polimeri commerciali mantengono solo il 5% della loro capacità iniziale dopo 100 cicli alla stessa temperatura.

I ricercatori spiegano che la grande perdita di capacità nelle batterie commerciali ad alta temperatura si verifica a causa di reazioni collaterali indesiderate tra sali di litio e acqua, che produce sottoprodotti nocivi come gli ioni manganese. Lo strato nanoporoso a base di cellulosa delle nuove membrane separatrici ha una capacità chelante del manganese, in modo che si leghi agli ioni manganese e impedisca loro di partecipare alle reazioni che causano la perdita di capacità. Inoltre, lo strato polimerico macroporoso cattura i reagenti acidi che producono gli ioni manganese, con conseguente minor numero di questi ioni in primo luogo.

"In questo lavoro dimostriamo che il separatore c-mat a base di cellulosa chimicamente attivo può mitigare gli effetti negativi indotti dallo ione manganese, " coautore Sang-Young Lee, Professore presso la Scuola di Ingegneria Energetica e Chimica dell'UNIST, detto Phys.org . "Ciò consente un notevole miglioramento delle prestazioni del ciclismo ad alta temperatura ben oltre quello ottenibile con le tecnologie a membrana convenzionali".

Nel futuro, i ricercatori hanno in programma di modificare i separatori per un potenziale utilizzo nelle batterie ricaricabili di prossima generazione come quelle agli ioni di sodio, litio-zolfo, e batterie agli ioni di metallo.

"Il separatore c-mat dovrebbe essere utilizzato per batterie ad alte prestazioni di prossima generazione con stabilità ad alta temperatura, ad esempio, in batterie di grandi dimensioni per veicoli elettrici e sistemi di stoccaggio dell'elettricità su scala di rete, " ha detto Lee.

Oltre al suo utilizzo come membrana separatore di batterie, il separatore c-mat ha anche potenziali applicazioni nelle membrane per i sistemi di dissalazione, così come per sensori ecologici per ioni di metalli pesanti.

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