Introducere în electroliții solizi

 

Electroliții solizi au multe avantaje față de electroliții lichizi. De exemplu, pot atenua deformarea electrodului în timpul încărcării și descărcării, îmbunătățind siguranța. De asemenea, au o stabilitate excelentă, sunt ușor de procesat și cresclitiudendritele pot fi reduse la minimum în electroliți polimerici solizi fără solvenți{0}}.

Bateriile cu litiu-ion care utilizează electroliți polimerici solizi pot preveni problemele de scurgere asociate electroliților lichizi.

Polimerii sunt ușor de prelucrat și pot fi miniaturizați. Datorită plasticității lor ridicate, polimerii pot fi utilizați și pentru a crea baterii cu film subțire-. Diferite structuri de baterie pot fi fabricate folosind electroliți polimerici pentru a îndeplini diverse cerințe de aplicare. În plus, electroliții polimeri oferă o stabilitate chimică, electrochimică și termică mai mare în comparație cu electroliții lichizi, cu mai puține reacții secundare cu electrozii și un interval mai larg de temperatură de funcționare. Flexibilitatea electroliților polimeri poate tampona modificările de volum ale electrozilor în timpul încărcării și descărcării, stabilizând structura bateriei. Prin urmare, după comercializarea bateriilor cu ioni lichizi-, tehnologia bateriilor cu litiu-ion bazată pe electroliți polimerici se va dezvolta rapid și va obține o comercializare de succes.

Există multe metode de clasificare a electroliților polimeri, iar standardele variază. În prezent, electroliții polimeri solizi se disting în principal în funcție de tipul de polimer utilizat, cum ar fi cel mai faimos oxid de polietilenă pe bază de polieter-(PEO), precum și metacrilat de polimetil (PMMA) și poliacrilonitril (PAN). În general, electroliții polimerici trebuie să îndeplinească următoarele condiții pentru a fi utilizați practic în bateriile cu litiu-ion.

În sistemele actuale de electroliți polimerici, polimerii prezintă o cristalinitate semnificativă la temperatura camerei, ceea ce explică de ce conductivitatea electroliților polimeri solizi la temperatura camerei este mult mai mică decât cea a electroliților lichizi. Majoritatea cristalelor din polimeri sunt sferulite, cu regiuni amorfe între ele. În general, se crede că conducția ionului de litiu apare în principal în aceste regiuni amorfe.

Prin urmare, înțelegerea structurii de fază a polimerilor este utilă pentru studiul mecanismului de conducere-ionului de litiu.

Pentru sistemele de electroliți polimeri binari, structura de fază constă în principal din două tipuri: regiuni cristaline și regiuni amorfe. Formarea regiunilor cristaline este condusă cinetic și direct legată de condițiile și timpul de preparare specifice. Strict vorbind, din cauza prezenței regiunilor cristaline în sistemul polimeric și a variației semnificative a acestor regiuni cu diferite condiții, compararea conductibilității diferitelor tipuri de electroliți polimerici nu este foarte științifică. Cu toate acestea, în anumite condiții, dacă creșterea regiunilor cristaline este lentă și deviația conductibilității ionice este într-un interval acceptabil, compararea conductibilității este acceptabilă. Acesta este motivul pentru care comparăm adesea rezultate diferite.

Deoarece creșterea sferulitelor în polimer este dependentă de timp-, conductivitatea ionică la temperaturi sub punctul de topire al polimerului este, de asemenea, dependentă de timp. În plus, conductivitatea ionului de litiu-a electroliților polimeri este legată de viteza de încălzire, viteza de răcire și timpul de relaxare. De exemplu, un timp de relaxare mai lung are ca rezultat o structură cristalină polimerică mai completă și o cristalinitate mai mare, ceea ce duce la o scădere treptată a conductibilității ionice la minim odată cu creșterea timpului de relaxare. În mod similar, o viteză de răcire mai lentă are ca rezultat o cristalizare mai completă, iar conductivitatea ionică corespunzătoare va scădea treptat la minim.

află mai multe

Luând ca exemplu electrolitul polimer solid binar al PEO și LiCIO4, această structură conține mai multe structuri de fază. În primul rând, LiClO4 și PEO pot forma diverse complexe, inclusiv PEO6-LiCIO4, PEO3-LiCIO4, PEO2-LiCIO4 și PEO-LiClO4. Printre acestea, când O:Li=10:1, PEO6-LiCIO4 poate forma un eutectic cu PEO, cu un punct de topire de 50 de grade . În plus, atunci când temperatura este ridicată la 160 de grade, se poate forma un eutectic mare. În timpul procesului de răcire, eutecticul mare va produce trei tipuri diferite de sferulite: primul tip se topește peste 120 de grade și are un conținut ridicat de sare; al doilea tip se topește între 45 și 60 de grade, are un conținut scăzut de sare și se formează lent; al treilea tip are un punct de topire puțin mai mic decât polimerul gazdă și se formează mai rapid. Cercetările și analizele sugerează că: primul tip de sferulită este probabil PEO3-LiCIO4; al doilea tip poate fi un amestec de complecşi PEO-LiCIO4 şi PEO3-LiCIO4; iar al treilea tip corespunde PEO însuși. În plus, conținutul de sare de litiu și procesul de tratament termic pot duce ambele la modificări structurale.

Electroliții polimerici sunt o clasă de materiale polimerice funcționale cu conductivitate ionică ridicată, formate prin reacții de complexare între polimeri și săruri metalice folosind polimeri ca matrice. În funcție de matricea polimerică, electroliții polimerici obișnuiți includ electroliți polimerici pe bază de PEO-, electroliți polimeri pe bază de PVDE-, electroliți polimeri pe bază de PMMA- și altele. Spre deosebire de electroliții anorganici în stare solidă-, electroliții polimerici sunt ușori, elastici și stabili. La fel ca electroliții anorganici în stare solidă, electroliții polimeri nu numai că conduc ionii în bateriile cu litiu-ion, ci acționează și ca separatori de baterii. Electroliții polimeri au în principal următoarele avantaje:

Complexele formate din diferite săruri de litiu (inclusiv LBF4, LIPF6, LiCFSO4 și LiASF6) cu PEO sunt practic similare cu cele formate de LiCIO4, ceea ce înseamnă că tipul de sare de litiu nu are impact direct asupra tipului de complex format cu PEO. Mai exact, LiBF poate forma două complexe cu PEO: PEO4-LIBF și PEO,S{-LiBF. Când raportul O/Li este între 16 și 20, PEO2,5-LIBF4 poate forma un eutectic cu PEO. LPF6 poate forma, de asemenea, doi complexe cu PEO: PEO6-LiPF6 și PEO:-LiPF6. Cele două complexe formate de LiASF6 cu PEO sunt similare cu cele ale LiPF6, dar cu puncte de topire relativ mai mari. Sărurile anionice mari de litiu pot forma, de asemenea, complexe cu PEO, dar cinetica este mult mai lentă. În plus, presiunea afectează și creșterea cristalelor într-o oarecare măsură. Presiunea mai mare promovează creșterea sferulitei, reduce regiunea amorfă și, în mod corespunzător, scade conductivitatea ionilor de litiu.