Manufacturing of High-Performance Lithium-Sulfur Batteries Using Microbial Nanomachines

利用微生物纳米机器制造高性能锂硫电池

基本信息

  • 批准号:
    2103582
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 28.79万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2020
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2020-09-01 至 2023-08-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

This project contributes new knowledge related to a microbial nanomachine-based manufacturing process for fabricating high-performance lithium-sulfur batteries. The novelty of this potentially-scalable and environmentally-friendly process is the use of microbial nanomachines that scavenge environmental pollutants to produce nanoscale materials. This award supports research to investigate sulfide oxidizing bacteria and cellulose bacteria to produce sulfur-containing nanoparticles and nanocellulose membranes, respectively, for use in high-performance lithium-sulfur batteries. The sulfur-containing nanoparticles are produced by sulfide oxidizing bacteria by harvesting environmental or industrial sulfide pollutants. The nanocellulose membrane is manufactured by cellulose bacteria through recycling certain agriculture or industry byproducts/wastes. The outcome of this research greatly impacts future high-performance battery technology, which benefits the U.S. economy and society. This convergent research involves biochemistry, material science and electrochemistry. Its multi-disciplinary approach trains the future advanced manufacturing workforce, fosters participation of women and underrepresented groups, and positively impacts STEM education. The challenge of soluble lithium polysulfides shuttling and other problems must be solved to develop high-performance lithium-sulfur batteries. This calls for manufacturing processes that produce a sulfur cathode nanostructure, which can physically trap and chemically bind these polysulfides, and a functionalized battery separator as a second barrier to close off the shuttling path. In nature, sulfide oxidizing bacteria can oxidize sulfide pollutants into elemental sulfur nanoparticles and store them in their bodies. There are also bacteria which produce high-quality nanocellulose membranes suitable as a battery separator by harvesting agriculture byproducts. This project studies two processes; a sulfide oxidizing bacteria cultured to produce sulfur-containing nanoparticles used in sulfur cathodes and a bacterial cellulose fermentation process along with its ionic modification as the battery separator. When combined, these components work cooperatively in solving the polysulfides shuttling and other problems faced by the lithium-sulfur battery technology. The research involves the study of polysulfides shuttling retardation mechanism, process development, nanostructure control and tailoring, material characterization, and battery performance testing. Together they advance the understanding of generating rationally-designed nanostructures via the scalable nanomanufacturing process using microbial nanomachines to manufacture high-performance lithium-sulfur batteries.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
该项目贡献了与基于微生物纳米机器的高性能锂硫电池制造工艺相关的新知识。这种潜在可扩展且环保的过程的新颖之处在于使用微生物纳米机器清除环境污染物来生产纳米级材料。该奖项支持研究硫化物氧化细菌和纤维素细菌分别生产含硫纳米颗粒和纳米纤维素膜,用于高性能锂硫电池。含硫纳米颗粒是由硫化物氧化细菌通过收集环境或工业硫化物污染物产生的。纳米纤维素膜是由纤维素细菌通过回收某些农业或工业副产品/废物而制造的。这项研究的成果极大地影响了未来的高性能电池技术,使美国经济和社会受益。这种融合研究涉及生物化学、材料科学和电化学。其多学科方法培训未来的先进制造业劳动力,促进女性和代表性不足群体的参与,并对 STEM 教育产生积极影响。开发高性能锂硫电池必须解决可溶性多硫化锂穿梭等问题。这就需要生产硫阴极纳米结构的制造工艺,它可以物理捕获和化学结合这些多硫化物,并需要功能化的电池隔膜作为第二道屏障来关闭穿梭路径。在自然界中,硫化物氧化细菌可以将硫化物污染物氧化成单质硫纳米粒子,并将其储存在体内。还有一些细菌可以通过收获农业副产品来生产适合用作电池隔膜的高质量纳米纤维素膜。该项目研究两个过程;培养硫化物氧化细菌以生产用于硫阴极的含硫纳米粒子,以及细菌纤维素发酵过程及其作为电池隔膜的离子改性。当这些组件组合在一起时,它们可以协同工作,解决锂硫电池技术面临的多硫化物穿梭和其他问题。该研究涉及多硫化物穿梭阻滞机制、工艺开发、纳米结构控制和定制、材料表征和电池性能测试的研究。他们共同推进了对使用微生物纳米机器制造高性能锂硫电池,通过可扩展的纳米制造过程生成合理设计的纳米结构的理解。该奖项反映了 NSF 的法定使命,并通过使用基金会的智力优势和技术进行评估,被认为值得支持。更广泛的影响审查标准。

项目成果

期刊论文数量(7)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Biopolymer Separators from Polydopamine-Functionalized Bacterial Cellulose for Lithium-Sulfur Batteries
用于锂硫电池的聚多巴胺功能化细菌纤维素生物聚合物分离器
  • DOI:
    10.1016/j.jcis.2023.11.138
  • 发表时间:
    2023-11
  • 期刊:
  • 影响因子:
    9.9
  • 作者:
    Baranwal, Rishav;Lin, Xueyan;Li, Wenyue;Pan, Xuan;Wang, Shu;Fan, Zhaoyang
  • 通讯作者:
    Fan, Zhaoyang
Functionalized bacterial cellulose as a separator to address polysulfides shuttling in lithium–sulfur batteries
功能化细菌纤维素作为隔膜,解决锂硫电池中多硫化物的穿梭问题
  • DOI:
    10.1016/j.mtener.2021.100813
  • 发表时间:
    2021-09-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    9.3
  • 作者:
    W. Li;S. Wang;Z. Fan;S. Li;A. Bernussi;N. Newman
  • 通讯作者:
    N. Newman
Oxidized bacterial cellulose functionalized with SiO2 nanoparticles as a separator for lithium-metal and lithium–sulfur batteries
用 SiO2 纳米粒子功能化的氧化细菌纤维素作为锂金属和锂硫电池的隔膜
  • DOI:
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  • 发表时间:
    2023-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    5.7
  • 作者:
    Li, Wenyue;Wang, Shu;Fan, Zhaoyang;Li, Shiqi;Newman, Nathan
  • 通讯作者:
    Newman, Nathan
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  • DOI:
    10.34133/2021/2712391
  • 发表时间:
    2021-03
  • 期刊:
  • 影响因子:
    12.9
  • 作者:
    Li, Wenyue;Li, Shiqi;Bernussi, Ayrton A.;Fan, Zhaoyang
  • 通讯作者:
    Fan, Zhaoyang
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  • DOI:
    10.1016/j.cej.2023.146977
  • 发表时间:
    2023-10-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    15.1
  • 作者:
    Xueyan Lin;Wenyue Li;Vy T Nguyen;Shu Wang;Shize Yang;Lu Ma;Yonghua Du;Bin Wang;Z. Fan
  • 通讯作者:
    Z. Fan
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Role of phonons in the optical properties of magnetron sputtered ZnO studied by resonance Raman and photoluminescence
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  • 作者:
    S. Sohal;Y. Alivov;Zhaoyang Fan;M. Holtz
  • 通讯作者:
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  • 作者:
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    2024-09-14
  • 期刊:
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    0
  • 作者:
    Zhaoyang Fan;M. Nakarmi;J. Lin;Hongxing Jiang
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  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    M. Nazari;Yong Zhao;Yanhan Zhu;V. Kuryatkov;A. Bernussi;Zhaoyang Fan;M. Holtz
  • 通讯作者:
    M. Holtz
Biopolymer separators from polydopamine-functionalized bacterial cellulose for lithium-sulfur batteries.
用于锂硫电池的聚多巴胺功能化细菌纤维素生物聚合物隔膜。
  • DOI:
    10.1016/j.jcis.2023.11.138
  • 发表时间:
    2023-11-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    9.9
  • 作者:
    R. Baranwal;Xueyan Lin;Wenyue Li;X. Pan;Shu Wang;Zhaoyang Fan
  • 通讯作者:
    Zhaoyang Fan

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知道了