Electrochemical Stability of Fibrous Separators from Recycled Polyethylene Terephthalate Cups in Lithium-Based Batteries

Z. Arkasheva; A. Belgibayeva; A. Uali; E. Nurgaziyeva; A. Mukanova; A. Nurpeissova

doi:10.18321/cpc24(3)257-267

Авторлар

Ж. Аркашева Institute of Batteries, Қабанбай батыр даң., 53, Астана, Қазақстан; Л.Н. Гумилев ат. Еуразия ұлттық университеті, Қажымұқан к., 13, Астана, Қазақстан
А. Белгібаева Institute of Batteries, Қабанбай батыр даң., 53, Астана, Қазақстан; Institute of New Materials and Energy Technologies, Қабанбай батыр даң., 53, Астана, Қазақстан
А. Уәли Institute of Batteries, Қабанбай батыр даң., 53, Астана, Қазақстан; Л.Н. Гумилев ат. Еуразия ұлттық университеті, Қажымұқан к., 13, Астана, Қазақстан
Э. Нургазиева Institute of New Materials and Energy Technologies, Қабанбай батыр даң., 53, Астана, Қазақстан
А. Муканова Institute of Batteries, Қабанбай батыр даң., 53, Астана, Қазақстан; Institute of New Materials and Energy Technologies, Қабанбай батыр даң., 53, Астана, Қазақстан
А. Нурпейсова Institute of Batteries, Қабанбай батыр даң., 53, Астана, Қазақстан; Institute of New Materials and Energy Technologies, Қабанбай батыр даң., 53, Астана, Қазақстан

DOI:

https://doi.org/10.18321/cpc24(3)257-267

Кілт сөздер:

электроспиннинг арқылы алынған сепаратор, қайта өңделген ПЭТ, литий-ионды аккумуляторлар, литий-күкіртті аккумуляторлар, термиялық тұрақтылық, иондық өткізгіштік

Аңдатпа

Бұл зерттеуде қолданыстан шыққан бір реттік сусын стақандарынан алынған полиэтилентерефталат (ПЭТ) қалдықтарын электроспиннинг арқылы сепаратор мембраналарын дайындауда қолданудың экологиялық тиімді тәсілі көрсетілді. Алынған мембраналар біркелкі түйінсіз наноталшықты құрылымымен, жоғары кеуектілігімен және өзара байланысқан архитектурасымен сипатталып, электролиттің тиімді сіңуін және иондардың жылдам тасымалдануын қамтамасыз етті. Қайта өңделген ПЭТ мембранасы коммерциялық Celgard 2400 сепараторымен салыстырғанда жоғары жылулық тұрақтылық көрсетті: 190 °C-қа дейін шөгу байқалмай, құрылымдық тұтастығы сақталды. Сонымен қатар, оның иондық өткізгіштігі шамамен төрт есе жоғары (3,15×10^-1 См·см^-1), ал көлемдік кедергісі айтарлықтай төмен болды. Алайда ПЭТ сепараторының электрохимиялық тұрақтылығы электролит түріне қатты тәуелді: эфир негізіндегі жүйелер айқын тұрақсыздыққа әкеледі, ал карбонат негізіндегі электролиттер салыстырмалы түрде жақсартылған, бірақ әлі де шектеулі тұрақтылықты қамтамасыз етеді. Нәтижесінде ПЭТ сепараторы LiFePO₄ катоды бар жартылай элементтерде тұрақты жұмыс істеді, алайда графит анодтары мен литий-күкірт жүйелерінде интерфейстік тұрақсыздық салдарынан қолданылуы шектеулі болды. Жалпы, қайта өңделген ПЭТ жоғары жылулық тұрақтылық пен тиімді ион тасымалдау қасиеттеріне ие, экологиялық қауіпсіз және болашағы зор сепаратор материалы ретінде көрсетілді. Дегенмен оны заманауи аккумулятор жүйелерінде кеңінен қолдану үшін интерфейстік химияны және электролитпен үйлесімділікті одан әрі оңтайландыру қажет.

Әдебиеттер тізімі

(1) T. Kim, W. Song, D.Y. Son, L.K. Ono, Y. Qi. Lithium-ion batteries: outlook on present, future, and hybridized technologies. Journal of Materials Chemistry A 7 (2019) 2942-2964. Crossref

(2) J. Xu, X. Cai, S. Cai, Y. Shao, C. Hu, et al. High-Energy Lithium-Ion Batteries: Recent Progress and a Promising Future in Applications. Energy and Environmental Materials 6 (2023) 1-26. Crossref

(3) C. Likitaporn, P. Prathumrat, N. Senthilkumar, N. Tanalue, T. Wongsalam, et al. Engineering the separators for high electrolyte uptakes in Li-ion batteries. Journal of Energy Storage 101 (2024) 113861. Crossref

(4) J. Li, Y. Zhang, R. Shang, C. Cheng, Y. Cheng, et al. Recent advances in lithium-ion battery separators with reversible/irreversible thermal shutdown capability. Energy Storage Materials 43 (2021) 143-157. Crossref

(5) A. Li, A.C.Y. Yuen, W. Wang, I.M. De Cachinho Cordeiro, C. Wang, et al. A Review on Lithium-Ion Battery Separators towards Enhanced Safety Performances and Modelling Approaches. Molecules 26 (2021) 478. Crossref

(6) Y. Ju, B. Kim, B. Youn, Y. Song, H. Jang, et al. Towards dendrite-free lithium-ion batteries: A comprehensive review of functional separator technologies. Journal of Energy Storage 127 (2025) 116957. Crossref

(7) B. Tong, X. Li. Towards separator safety of lithium-ion batteries: a review. Materials Chemistry Frontiers 8 (2024) 309-340. Crossref

(8) O. Guselnikova, O. Semyonov, E. Sviridova, R. Gulyaev, A. Gorbunova, et al. «Functional upcycling» of polymer waste towards the design of new materials. Chemical Society Reviews 52 (2023) 4755-4832. Crossref

(9) K. Xie, S. Yu, P. Wang, P. Chen. Polyethylene Terephthalate-Based Materials for Lithium-Ion Battery Separator Applications: A Review Based on Knowledge Domain Analysis. International Journal of Polymer Science 2021 (2021). Crossref

(10) H. Cai, X. Tong, K. Chen, Y. Shen, J. Wu, et al Electrospun Polyethylene Terephthalate Nonwoven Reinforced Polypropylene Separator: Scalable Synthesis and Its Lithium Ion Battery Performance. Polymers 10 (2018) 574. Crossref

(11) L. Chen, X. Gui, Q. Zhang, B. Hou, X. Wu, et al. Direct Fabrication of PET-Based Thermotolerant Separators for Lithium-Ion Batteries with Ion Irradiation Technology. ACS Applied Materials & Interfaces 15 (2023) 59422-59431. Crossref

(12) V. Galstyan, P. D’Angelo, G. Tarabella, D. Vurro, T. Djenizian. High versatility of polyethylene terephthalate (PET) waste for the development of batteries, biosensing and gas sensing devices. Chemosphere 359 (2024) 142314. Crossref

(13) Y. Li, Q. Li, Z. Tan. A review of electrospun nanofiber-based separators for rechargeable lithium-ion batteries. Journal of Power Sources 443 (2019) 227262. Crossref

(14) J. Hao, G. Lei, Z. Li, L. Wu, Q. Xiao, et al. A novel polyethylene terephthalate nonwoven separator based on electrospinning technique for lithium ion battery. Journal of Membrane Science 428 (2013) 11-16. Crossref

(15) A.C.H. Tsang, M.Y.L. Wong, C.W. Tsang, D.W.S. Suen, X.Y. Lu. Development of AlN-loaded PET separators from waste water bottle plastics with superior thermal characteristics for next-generation lithium-ion batteries. RSC Advances 15 (2025) 5452-5461. Crossref

(16) A. Ramakrishnan, S. Jyothilakshmi, V. Aravindan. Valorization of upcycling plastic bottles to flexible nanofiber membranes: An efficient and sustainable separator-cum-electrolyte for high-performance Li and Na-metal batteries. Composites Part B: Engineering 309 (2026) 113096. Crossref

(17) T. Kim, M.G. Song, K. Kim, H. Jeon, G.H. Kim. Recyclable Superhydrophobic Surface Prepared via Electrospinning and Electrospraying Using Waste Polyethylene Terephthalate for Self-Cleaning Applications. Polymers 15 (2023) 3810. Crossref

(18) F. Liao, Y. Wang, J. Zhou, F. Xu, D.-G. Yu, et al. Electrospun separators for lithium-ion batteries: Performance enhancement through post-processing and hybrid manufacturing. Materials Today Energy 54 (2025) 102126. Crossref

(19) Z. Chen, J.N. Hay, M.J. Jenkins. FTIR spectroscopic analysis of poly(ethylene terephthalate) on crystallization. European Polymer Journal 48 (2012) 1586-1610. Crossref

(20) S. Yao, T. Zhang, C. Ma, C. Zhang, W. Zhang, et al. Comparative study of the electrochemical performances of different polyolefin separators in lithium/sulfur batteries. Materials Research Bulletin 171 (2024) 112604. Crossref

(21) X. Tian, B. Xin, Z. Lu, W. Gao, F. Zhang. Electrospun sandwich polysulfonamide/polyacrylonitrile/polysulfonamide composite nanofibrous membranes for lithium-ion batteries. RSC Advances 9 (2019) 11220-11229. Crossref

(22) C.T. Love. Thermomechanical analysis and durability of commercial micro-porous polymer Li-ion battery separators. Journal of Power Sources 196 (2011) 2905-2912. Crossref

(23) H.N. Trinh, M. Eesaee, S. Shahgaldi, J. Singh, T.L.G. Hoang, et al. Advancements and challenges in polymer-based separators for lithium-ion batteries. Energy Storage Materials 77 (2025) 104153. Crossref

(24) Q. Wang, P. Ping, X. Zhao, G. Chu, J. Sun, et al. Thermal runaway caused fire and explosion of lithium ion battery. Journal of Power Sources 208 (2012) 210-224. Crossref

(25) A. Gopanna, R.N. Mandapati, S.P. Thomas, K. Rajan, M. Chavali. Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), Raman spectroscopy and wide-angle X-ray scattering (WAXS) of polypropylene (PP)/cyclic olefin copolymer (COC) blends for qualitative and quantitative analysis. Polymer Bulletin 76 (2018) 4259-4274. Crossref

(26) B. Xiong, R. Chen, F. Zeng, J. Kang, Y. Men. Thermal shrinkage and microscopic shutdown mechanism of polypropylene separator for lithium-ion battery: In-situ ultra-small angle X-ray scattering study. Journal of Membrane Science 545 (2018) 213-220. Crossref

(27) W. Ye, Z. Fan, X. Zhou, Z. Xue. Functionalized polypropylene separator coated with polyether/polyester blend for high-performance lithium metal batteries. Energy Materials 4 (2024) 400049. Crossref

(28) P. Vadhva, J. Hu, M.J. Johnson, R. Stocker, M. Braglia, et al. Electrochemical Impedance Spectroscopy for All-Solid-State Batteries: Theory, Methods and Future Outlook. ChemElectroChem 8 (2021) 1930-1947. Crossref