Zn용 MXene 통합 막 분리막의 높은 전해질 흡수율

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 19915(2022) 이 기사 인용

1686 액세스

2 인용

1 알트메트릭

측정항목 세부정보

최근 높은 유연성, 높은 전해질 흡수율 및 이온 전도성을 갖춘 배터리용 분리막 개발이 상당한 주목을 받고 있습니다. 그러나 Zn 이온 배터리의 수성 전해질에 대해 앞서 언급한 특성을 가진 복합 분리막에 대한 연구는 제한적입니다. 본 연구에서는 전기방사 기법을 이용하여 폴리아크릴로니트릴(PAN)/바이오 기반 폴리우레탄(PU)/Ti3C2Tx MXene 복합막을 제작하였다. Ti3C2 MXene은 섬유에 내장되어 방추형 구조를 형성했습니다. Ti3C2Tx MXene을 사용하면 전해질 흡수량과 이온 전도도가 각각 2214%와 3.35 × 10−3 S cm−1라는 우수한 값에 도달했습니다. 복합막은 Zn//Zn 대칭형 배터리에 조립했을 때 우수한 충방전 안정성을 나타냈습니다. 또한, 개발된 분리막은 유연성이 높고, 열처리 후에도 치수 및 구조적 변화가 없어 고성능 Zn 이온 배터리용 분리막을 개발할 수 있었다. 전반적으로 PAN/바이오 기반 PU/Ti3C2Tx MXene 복합막은 잠재적으로 Zn 이온 배터리용 고성능 분리막으로 사용될 수 있습니다.

유연한 전자 장치는 최근 학계와 산업계에서 폭넓은 관심을 받고 있습니다. 그러나 이러한 장치에 전원을 공급하려면 유연한 배터리가 필요합니다. 분리막은 배터리에서 주목할만한 다공성 막입니다. 두 개의 전극을 분리하므로 배터리 셀이 서로 접촉하면 단락이 발생할 수 있으며 이온 전하가 침투하여 이동할 수 있습니다. 이온 이동 메커니즘에 따라 배터리 성능이 결정됩니다. 이온 전도성을 높이기 위해 과학자들은 분리막의 가장 중요한 특성, 즉 전해질 흡수 값을 개발해야 합니다. 재료의 다공성이 높기 때문에 분리막에서 전해질을 효과적으로 흡수하고 유지할 수 있어 배터리 작동 수명이 길어지고 배터리 셀의 내부 이온 저항이 감소합니다1. 전기방사 기술은 매우 높은 다공성 섬유막, 높은 표면적 대 부피 비율, 마이크론에서 나노 크기의 섬유 직경을 생성합니다2. 다양한 유형의 고분자 전구체 기반 전기방사 분리막이 연구되었습니다. 예로는 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)3,4, 폴리(비닐리덴 플루오라이드-코-헥사플루오로프로필렌)5, 폴리이미드(PI)6, 폴리아크릴로니트릴(PAN)7 및 폴리머 변형 유리 섬유 멤브레인8이 있습니다. 이러한 폴리머 전구체에서 극성 그룹은 양이온 이동을 위한 조정 사이트 역할을 합니다9. 높은 이온 전도성을 지닌 PAN/바이오 기반 폴리우레탄(PU) 전기방사 멤브레인을 기반으로 한 분리막이 Saisangtham S. et al.10에 의해 개발되었습니다. 폴리머 농도, 인가 전압, 팁에서 컬렉터까지의 거리 등 막 특성에 영향을 미치는 매개변수가 관찰되었습니다. Gray 관계 분석을 이용한 실험 및 최적화의 Taguchi 설계에 따르면, 폴리머 농도 14wt%, 인가 전압 25kV, 팁에서 컬렉터까지의 거리 16cm로 제조된 분리막은 1,971%의 우수한 전해질 흡수율과 전도성을 나타냈습니다. 3.11mS cm−1입니다. PI 전기방사 분리막은 2522%의 Li 전해질 흡수율과 92%의 다공성을 제공했습니다6. 특히, 전기방사 멤브레인을 사용하면 더 높은 C-속도 성능, 더 나은 사이클링 성능 및 더 낮은 세포 저항이 보고되었습니다. 알루미나(Al2O3)12, 실리카(SiO2)13, 지르코니아(ZrO2)12, 이산화티탄(TiO2)14 등의 다공성 무기 입자로 채워진 복합 분리막을 준비하는 것은 전해질 흡수를 향상시키는 핵심 기술입니다. 더욱이, 무기 입자는 생성된 복합 분리막의 기계적 강도와 내열성을 향상시킵니다. SiO2/PVDF 기반 멤브레인이 개발되었습니다11. PVDF 복합재의 24wt% SiO2 다공성은 순수 PVDF 막보다 120% 향상되어 전해질 흡수 및 이온 전도도가 각각 128% 및 152% 증가했습니다. 또한 성능을 향상시키기 위해 다른 필러 구조가 분리막 재료에 통합되었습니다. 이러한 구조에는 MOF(금속 유기 프레임워크)15 및 MXene16과 같은 2차원(2D) 구조와 같은 다공성 재료가 포함됩니다. 특히 MXene은 친수성 특성으로 인해 분리막 성능을 향상시키는 것으로 보입니다.