Électrolyte polymère solide composite nanofibreux flexible à base de biopolymère cellulosique pour les batteries sodium-ion de nouvelle génération
Aperçu du projet
Ce projet vise à relever les défis et à saisir les occasions liées à l’expansion écologique de la technologie des batteries, en particulier la transition des batteries lithium-ion (Li-ion) vers les batteries à électrolyte solide sodium-ion (BES Na-ion).
Les BES Na-ion se révèlent comme une option prometteuse étant donné que le marché mondial, actuellement à la merci des Li-ion, fait face à des problèmes de durabilité à cause de la disponibilité limitée du lithium. Ces batteries exploitent le sodium, abondant et moins cher, et évitent l’utilisation de matériaux rares comme le cobalt ou le nickel, ce qui réduit considérablement les coûts. Malgré leurs avantages, les BES Na-ion se heurtent à des obstacles tels qu’une plus faible capacité d’électrodes, des processus de fabrication complexes et des propriétés mécaniques médiocres dans des applications flexibles.
Ce projet propose une nouvelle approche en nanoingénierie en mettant au point un électrolyte polymère solide composite de pointe en nanofibre électrofilée à base de cellulose, matériel écologique destiné aux BES Na-ion. Partant de la recherche sur les matériaux en allant jusqu’au prototypage et à la fabrication, l’objectif est de surmonter les défis des BES Na-ion et de faire progresser la technologie.
Renseignements clés
| Chercheuse principale | Qingye (Gemma) Lu, professeure agrégée de génie chimique et pétrolier, Université de Calgary |
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Cochercheurs principaux |
Jinguang Hu, professeur agrégé de génie chimique et pétrolier, Université de Calgary; Xia Li, professeure adjointe de génie chimique et des matériaux, et chaire de recherche de l’Université Concordia sur les piles rechargeables à haute énergie, Université Concordia | |
Collaborateur de recherche |
Michael Liu, directeur de Cancarbon Technologies Inc. | |
| Partenaires non universitaires | Cancarbon Technologies Inc. | |
| Mots-clés de la recherche | Cellulose, biopolymère, nanofibreux, composite, électrolyte solide, batteries sodium-ion | |
| Budget | En espèces : 200 000 $ En nature : 130 000 $ |
Publications:
Q. Yu et al., “An active bifunctional natural dye for stable all-solid-state organic batteries,” Nat Commun, vol. 16, no. 1, p. 8364, Sep. 2025, doi: 10.1038/s41467-025-62301-z.
Y. Hu et al., “Solid solvation structure design improves all-solid-state organic batteries,” Nat. Chem., vol. 17, no. 9, pp. 1313–1322, Sep. 2025, doi: 10.1038/s41557-025-01866-0.
Y. Xiang et al., “Nanoscale insight into the interaction mechanism underlying the transport of microplastics by bubbles in aqueous environment,” Journal of Colloid and Interface Science, vol. 683, pp. 347–356, Apr. 2025, doi: 10.1016/j.jcis.2024.12.186.
Y. Xiang et al., “Nanoscale interaction mechanism between bubbles and microplastics under the influence of natural organic matter in simulated marine environment,” Journal of Hazardous Materials, vol. 487, p. 137281, Apr. 2025, doi: 10.1016/j.jhazmat.2025.137281.
R. Zhou, Y. Ren, C. Jiang, and Q. Lu, “Wastewater as a resource for carbon capture: A comprehensive overview and perspective,” Journal of Environmental Management, vol. 377, p. 124608, Mar. 2025, doi: 10.1016/j.jenvman.2025.124608.
M. Ebrahimian Mashhadi, Md. M. Hassan, R. Yang, and Q. Lu, “All‐in‐One Hybrid Solar‐Driven Interfacial Evaporators for Cogeneration of Clean Water and Electricity,” Adv Funct Materials, vol. 35, no. 2, p. 2412870, Jan. 2025, doi: 10.1002/adfm.202412870.
A. Varamesh et al., “Fully biobased thermal insulating aerogels with superior fire-retardant and mechanical properties,” Chemical Engineering Journal, vol. 495, p. 153587, Sep. 2024, doi: 10.1016/j.cej.2024.153587.
Md. M. Hassan, X.-Y. Wang, A. A. Bristi, R. Yang, X. Li, and Q. Lu, “Composite scaffold of electrospun nano-porous cellulose acetate membrane casted with chitosan for flexible solid-state sodium-ion batteries,” Nano Energy, vol. 128, p. 109971, Sep. 2024, doi: 10.1016/j.nanoen.2024.109971.
R. Yang et al., “Highly Dispersed Ni Atoms and O3 Promote Room-Temperature Catalytic Oxidation,” ACS Nano, vol. 18, no. 21, pp. 13568–13582, May 2024, doi: 10.1021/acsnano.3c12946.
R. Yang et al., “Intercalation in 2D materials and in situ studies,” Nat Rev Chem, vol. 8, no. 6, pp. 410–432, May 2024, doi: 10.1038/s41570-024-00605-2.
Publications acceptées dans des conférences nationales et internationales:
Md. M. Hassan, B. Conners, M. Ebrahimian Mashhadi, J. Hu, X. Li, and Q. Lu, “Electrospinning and Solution-Casting Assisted Aligned Nanocomposite Solid Electrolyte Based on Cellulose Acetate and Chitosan Biopolymers for Sodium-Ion Batteries,” in ECS Meeting Abstracts, Jul. 2025, pp. 2947–2947. doi: 10.1149/MA2025-01622947mtgabs.
B. Conners, Md. M. Hassan, J. Hu, X. Li, and Q. Lu, “Electrospun Solid-State Electrolyte from Cellulose Acetate and Bentonite Clay for Sodium-Ion Batteries,” in ECS Meeting Abstracts, Jul. 2025, pp. 2941–2941. doi: 10.1149/MA2025-01622941mtgabs.
A. Nizami, “Theoretical Insights into Polymer Interface Coatings for Lithium-Sulfur Battery Cathodes,” presented at the 247th ECS Meeting, May 2025.
Z. Yang, “Unravelling the Impact of Carbon Hosts on Chemistry and Microstructure Evolution in Sulfur Cathodes and Interface Design for High-Performance Solid-Sate Li-S Batteries,” presented at the 247th ECS Meeting, May 2025.
Z. Yang, “Theoretical Insights into Polymer Interface Coatings for Lithium-Sulfur Battery Cathodes,” presented at the 2025 QCAM Meeting, May 2025.
Q. Lu, “Nanostructured Biopolymer-Based Electrolyte Membrane for Solid-State Lithium-Ion and Sodium-Ion Battery,” presented at the The Materials Research Society (MRS) Spring Meeting, Apr. 2025.
Q. Lu, “Cellulose Biopolymer-based Flexible Nanofibrous Composite Solid Polymer Electrolyte for Next Generation Sodium-ion Batteries,” presented at the Volt-Age Annual Conference 2025, Mar. 2025.
Md. M. Hassan, B. Conners, M. Ebrahimian Mashhadi, and Q. Lu, “Aligned Nano-Porous Electrospun Composite Electrolyte Based on Cellulose Acetate Casted with Chitosan for Flexible and Wearable Solid-State Sodium-Ion Batteries,” in ECS Meeting Abstracts, Nov. 2024, pp. 4427–4427. doi: 10.1149/MA2024-02674427mtgabs.
Q. Lu, “Electrospun Solid-State Electrolyte from Cellulose Acetate and Bentonite Clay: A Flexible Solution for Sodium-Ion Batteries in Wearable Electronics,” presented at the 15th International Conference on Advanced Lithium Batteries for Automotive Applications (ABAA-15), Oct. 2024.
Q. Lu, “Cellulose Acetate and Chitosan Biomass-based Dual Ion-transfer Pathway Containing Nanoporous Flexible Electrospun Composite Electrolyte Membrane for Solid-state Sodium-ion Batteries,” presented at the 15th International Conference on Advanced Lithium Batteries for Automotive Applications (ABAA-15), Oct. 2024.
Md. M. Hassan and Q. Lu, “Electrospun Nano-Porous Cellulose Acetate Membrane Casted with Chitosan for Solid-State Sodium-Ion Batteries,” in ECS Meeting Abstracts, Aug. 2024, pp. 718–718. doi: 10.1149/MA2024-015718mtgabs.
Q. Lu, “Nanoporous Aligned Electrospun Composite Electrolyte Membrane Based on Cellulose Acetate Casted with Chitosan for Na-ion Batteries,” presented at the Volt-Age Annual Conference 2025.
Qingye (Gemma Lu): Schulich Research Excellence Award, University of Calgary, February 20, 2025.
Xia Li: College Member of Royal Society of Canada, Royal Society of Canada, September 30, 2024.
Xia Li: Concordia Research Impact Award, Concordia University, September 30, 2024.
But de la recherche
Mise au point d’électrolytes polymères solides composites en nanofibre électrofilée à base de cellulose (EPS-CN)
Cette phase porte sur la création d’EPS-CN destinés aux batteries à électrolyte solide sodium-ion à l’aide de biopolymères cellulosiques et de leurs dérivés. Elle comprend la fabrication et la mise à l’essai de cinq principaux types d’EPS-CN :
- Aligné
- Réticulé
- Nanoporeux
- Coordination avec ions métalliques de transition
- Agent liant polymérique
Incidence de la nanoarchitecture sur la conductivité ionique du sodium, les propriétés mécaniques et la stabilité électrochimique
Cette phase étudie comment la nanoarchitecture des EPS-CN touche :
- la conductivité ionique du sodium;
- les propriétés mécaniques;
- la stabilité électrochimique initiale avec l’anode en sodium métallique.
Elle comprend une caractérisation complète des matériaux à l’aide de diverses techniques d’analyse.
Amélioration de l’application et des performances des EPS-CN
Cette phase explore :
- l’application des EPS-CN mis au point dans les BES Na-ion flexibles;
- la compatibilité et la stabilité de l’anode en sodium métallique et des matériaux cathodiques nanostructurés dans les piles boutons;
- d’autres concepts de conception de batteries;
- l’optimisation des performances globales.
Fabrication et mise à l’essai de prototypes de BES Na-ion flexibles
Cette étape comprend :
- la fabrication de prototypes de BES Na-ion flexibles;
- l’utilisation de compositions prometteuses de matériaux cathodiques et électrolytiques;
- des essais à des densités de courant variables;
- un accent mis sur la haute capacité de rétention sur de nombreux cycles.
Récapitulation des essais approfondis de batteries aux fins de commercialisation
La dernière phase résume :
- les données d’essai provenant de multiples configurations allant des piles boutons aux batteries flexibles;
- l’analyse des coûts des matériaux, des processus et des échéancier;
- la collaboration avec des entreprises de batteries pour commercialiser un BES Na-ion haute performance, économique et durable.
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