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Utilizing methacrylated lignin as a sustainable macro-crosslinker for synthesizing innovative PVA/AMPS composites crosslinked hydrogel nanofibers: A potential application for lithium-ion battery separators

纳米纤维 材料科学 复合材料 锂离子电池 木质素 电池(电) 锂(药物) 化学工程 化学 有机化学 工程类 医学 功率(物理) 物理 量子力学 内分泌学
作者
Yun Dou,Shen Li,Shoujuan Wang,Magdi E. Gibril,Fangong Kong
出处
期刊:Composites Part B-engineering [Elsevier BV]
卷期号:281: 111537-111537 被引量:15
标识
DOI:10.1016/j.compositesb.2024.111537
摘要

There are significant issues with commercial separators that must be resolved before they can be used in high-energy-density batteries. These problems include low porosity, poor electrolyte wetting, and low mechanical properties. This study presents a facile method for preparing composite crosslinked hydrogel nanofibers of polyvinyl alcohol (PVA) with 2-acrylamide-2-methylpropanesulfonic acid (AMPS) for lithium-ion battery separators by utilizing methacrylated lignin (LMA) as a bio-based crosslinker. Initially, LMA was synthesized by grafting glycidyl methacrylate (GMA) onto lignin via esterification. Subsequently, a crosslinked hydrogel nanofiber membrane (PVA/AMPS-LMA) was electrospun with varying LMA fractions, which were polymerized by combining free radical copolymerization and esterification reactions. The effectiveness of LMA as a crosslinker was assessed against the N, N'-methylene bisacrylamide (MBA). The study showed that using LMA as a crosslinker significantly improved the membrane's properties. The PVA/AMPS-LMA separator displayed superior features such as mechanical strength, thermal stability, porosity, electrolyte uptake, ionic conductivity, and lithium-ion transference number, when compared with PVA/AMPS, PVA, and Celgard separators. Specifically, the PVA/AMPS-LMA separator demonstrated a high mechanical strength of 24.9 MPa, strong thermal stability at 170 °C with no shrinkage, high porosity (84.3%), and electrolyte uptake (661.4%). It also exhibited exceptional ionic conductivity (2.75 mS/cm) and a notable lithium-ion transference number (tLi+ = 0.717). In coin batteries, the PVA/AMPS-LMA separator retained over 96% capacity (142.4 mAh/g) after 200 cycles at 1C. This performance exceeded that of PVA/AMPS, PVA, and Celgard separators, suggesting that PVA/AMPS-LMA separators have the potential to replace their commercial counterparts.
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