An Fe–Ti bimetallic MOF-functionalized electrospun PVDF-HFP separator for homogeneous Li⁺ flux in thermally robust, fast-charging LiFePO₄ batteries

Batterijen die elektrische voertuigen aandrijven en energie voor het elektriciteitsnet opslaan, vertrouwen op een delicate interne architectuur. In het hart van deze apparaten ligt een separator, een dunne membraan die tussen de positieve en negatieve elektroden zit. De taak ervan is eenvoudig maar cruciaal: het moet kleine, geladen lithiumionen vrij laten passeren om elektriciteit op te wekken, terwijl het de elektronen fysiek blokkeert en voorkomt dat de twee elektroden elkaar raken en een kortsluiting veroorzaken. Decennialang heeft de industrie vertrouwd op separators gemaakt van polyolefine kunststoffen, die fungeren als inerte, passieve barrières. Echter, naarmate de vraag naar sneller laden en werken bij extreme hitte groeit, tonen deze traditionele materialen hun beperkingen. Ze hebben de neiging om te krimpen en te smelten wanneer de temperatuur stijgt, en ze doen niets om de stroom van ionen actief te begeleiden. Deze passieve aard kan leiden tot een ongelijkmatige ionenverdeling, wat het ontstaan van gevaarlijke metaalspikes op de negatieve elektrode kan veroorzaken en potentieel kan leiden tot batterijfalen of brand.

Onderzoekers zoeken al lang naar een manier om deze passieve barrière te veranderen in een actieve regulator, een membraan dat niet alleen scheidt, maar ook het verkeer van ionen organiseert. Een nieuwe studie van een team van de Mianyang City College en Meishan Vocational & Technical College presenteert een belangrijke stap in deze richting. Ze hebben een nieuw type separator ontwikkeld dat een gespecialiseerd materiaal bevat, een zogenaamd metal-organic framework (metaal-organisch raamwerk), specifiek één gebouwd van ijzer en titanium. Door dit materiaal in een polymeervezels membraan te weven, creëerden ze een component die ongewenste chemische deeltjes actief verankert en de stroom van lithiumionen egaliseert. Het resultaat is een batterijseparator die stabiel blijft bij hoge temperaturen, bestand is tegen de vorming van schadelijke metaalspikes en elektrische voertuigen veel sneller laat opladen zonder het veiligheid te compromitteren.

Het team begon met het synthetiseren van hun belangrijkste ingrediënt, een metal-organic framework, met een methode die inhoudt dat een mengsel van chemicaliën in een afgesloten container wordt verhit. Dit proces creëert een kristallijne structuur met minuscule, uniforme poriën en open metaalplaatsen op het oppervlak. In dit specifieke ontwerp combineerden de onderzoekers ijzer en titanium binnen hetzelfde raamwerk. Ze kozen voor deze combinatie omdat de twee metalen samenwerken om een oppervlak te creëren dat bijzonder goed is in het grijpen van specifieke chemische anionen, terwijl ze lithiumionen gemakkelijk doorlaat. Om dit materiaal bruikbaar te maken als batterijseparator, mengden de onderzoekers de minuscule kristallen in een oplossing van een flexibel polymeer bekend als PVDF-HFP. Vervolgens gebruikten ze een proces genaamd electrospinning, waarbij een hoge spanning wordt gebruikt om de vloeistof te spinnen tot een mat van ongelooflijk fijne, onderling verbonden vezels. Dit creëerde een poreus, sponsachtig membraan waar de metal-organic kristallen gelijkmatig over de vezels waren verdeeld, in plaats van alleen op het oppervlak te liggen.

Toen het team dit nieuwe composietmembraan testte, waren de resultaten opvallend in vergelijking met standaard commerciële separators. Het nieuwe materiaal toonde een opmerkelijk vermogen om vloeibare elektrolyt op te zuigen, de chemische soep die ionen in de batterij vervoert. Terwijl een standaard plastic separator de vloeistof enigszanje afstootte, absorbeerde het nieuwe membraan deze bijna onmiddellijk, met een contacthoek van slechts 18 graden. Deze hoge affiniteit voor de elektrolyt betekende dat ionen veel vrijer door het materiaal konden bewegen. De onderzoekers maten de snelheid van deze beweging en vonden dat de nieuwe separator de ionen liet reizen met aanzienlijk minder weerstand dan de standaardopties. Nog belangrijker is dat het membraan de balans van het verkeer binnen de batterij veranderde. In een typische batterij bewegen zowel positieve lithiumionen als negatieve anionen, maar de negatieve deeltjes staan het proces vaak in de weg, wat het proces vertraagt. De ijzer- en titaniumplaatsen in het nieuwe membraan fungeerden als een tolpoortje dat de negatieve anionen tegenhield en dwong om op hun plek te blijven. Dit liet de lithiumionen veel efficiënter bewegen, waardoor het aantal lithiumionen dat op elk gegeven moment kon passeren effectief werd verdubbeld ten opzichte van een standaard separator.

De meest kritieke test voor elk batterijcomponent is hoe het zich gedraagt onder stress, met name hitte. Standaard plastic separators beginnen te krimpen en gevaarlijk te vervormen wanneer ze worden verhit tot rond de 110 graden Celsius, en smelten vaak volledig, wat de batterij doet falen. Het nieuwe membraan, versterkt door het rigide metal-organic framework, vertoonde een uitzonderlijke thermische stabiliteit. Wanneer de onderzoekers de separator verhitten tot 160 graden Celsius gedurende een uur, kromp deze met slechts 5,8 procent, terwijl een standaard separator met 71 procent kromp en smolt. In directe vlamtesten vatte de standaard plastic separator binnen minder dan een seconde vlam en brandde deze heftig. In contrast hiermee bood het nieuwe membraan meer dan drie seconden weerstand tegen ontsteking en doofde het zichzelf daarna uit, wat een niveau van brandveiligheid demonstreert dat essentieel is voor het voorkomen van thermische runaway in elektrische voertuigen.

Om te zien of deze fysieke verbeteringen zich vertaalden in real-world batterijprestaties, assembleerde het team volledige batterijcellen met een gangbaar kathodemateriaal genaamd lithiumijzerfosfaat. Ze testten hoe goed deze batterijen konden laden en ontladen bij verschillende snelheden en temperaturen. Bij een matige laadsnelheid maakte de nieuwe separator de batterij in staat om een hogere capaciteit te leveren dan die met standaard separators. De echte test kwam bij hoge snelheden; toen de laadsnelheid werd verhoogd naar tien keer de normale snelheid, behield de batterij met de nieuwe separator een capaciteit van 118 milliampère-uur per gram, terwijl de standaardbatterij daalde naar slechts 72. Dit vermogen om prestaties te behouden bij snel laden is een direct resultaat van de gladdere ionenstroom die het membraan biedt. Bovendien toonde de batterij een ongelooflijke levensduur. Over 500 laadcycli behield het meer dan 92 procent van zijn oorspronkelijke capaciteit, met een efficiëntie van bijna 99,8 procent per cyclus. Zelfs wanneer de temperatuur werd verhoogd naar 80 graden Celsius, bleef de batterij functioneren met bijna geen verlies aan capaciteit, een prestatie waar standaardbatterijen moeite mee hebben.

De onderzoekers onderzochten ook wat er binnen de batterij gebeurde na langdurig gebruik. In batterijen met standaard separators ontwikkelt de negatieve elektrode vaak ruwe, ongelijkmatige afzettingen van lithiummetaal, die kunnen uitgroeien tot scherpe spikes die de separator doorboren en kortsluitingen veroorzaken. In de batterijen met de nieuwe ijzer-titanium membraan werd het lithium gelijkmatig en glad afgezet, waardoor de separator intact en vrij van scheuren bleef. Deze uniformiteit suggereert dat het membraan de ionen succesvol heeft gestuurd om op een consistent patroon te landen, waardoor de gevaarlijke ophoping die tot falen leidt, wordt voorkomen. De studie bevestigt dat door het oppervlak van een separator zo te ontwerpen dat het actief interageert met de chemicaliën binnen een batterij, het mogelijk is om meerdere problemen tegelijk op te lossen: het verbeteren van de veiligheid, het mogelijk maken van sneller laden en het verlengen van de levensduur van de batterij. Deze aanpak gaat verder dan simpelweg het blokkeren van ionen en richt zich op het actief beheren van hun reis, wat een veelbelovend pad biedt naar veiligere en krachtigere energieopslag voor de toekomst.