Вовед во цврсти електролити

 

Цврстите електролити имаат многу предности во однос на течните електролити. На пример, тие можат да ја ублажат деформацијата на електродата за време на полнење и празнење, подобрувајќи ја безбедноста. Тие исто така имаат одлична стабилност, лесно се обработуваат и растот налитиумдендритите може да се минимизираат во-цврсти полимерни електролити без растворувачи.

Литиум-јонските батерии кои користат цврсти полимерни електролити може да спречат проблеми со истекување поврзани со течните електролити.

Полимерите се лесни за обработка и може да се минијатуризираат. Поради нивната висока пластичност, полимерите може да се користат и за создавање тенки-филм батерии. Различни структури на батерии може да се изработат со користење на полимерни електролити за да се исполнат различните барања за примена. Понатаму, полимерните електролити нудат поголема хемиска, електрохемиска и термичка стабилност во споредба со течните електролити, со помалку странични реакции со електродите и поширок опсег на работна температура. Флексибилноста на полимерните електролити може да ги ублажи промените во волуменот на електродите за време на полнење и празнење, стабилизирајќи ја структурата на батеријата. Затоа, по комерцијализацијата на течните-јонски батерии, технологијата на литиум-јонска батерија базирана на полимерни електролити брзо ќе се развие и ќе постигне успешна комерцијализација.

Постојат многу методи за класификација на полимерните електролити, а стандардите варираат. Во моментов, цврстите полимерни електролити главно се разликуваат според видот на полимерот што се користи, како што е најпознатиот полиетилен оксид (PEO) базиран на полиетер (PEO), како и полиметил метакрилат (PMMA) и полиакрилонитрил (PAN). Општо земено, полимерните електролити треба да ги исполнуваат следниве услови за практично да се користат во литиум-јонски батерии.

Во сегашните полимерни електролитни системи, полимерите покажуваат значителна кристалинност на собна температура, што објаснува зошто спроводливоста на цврстите полимерни електролити на собна температура е многу помала од онаа на течните електролити. Повеќето кристали во полимерите се сферулити, со аморфни области меѓу нив. Општо се верува дека спроводливоста на литиум-јон примарно се јавува во овие аморфни региони.

Затоа, разбирањето на фазната структура на полимерите е корисно за проучување на механизмот на спроводливост на литиум-јони.

За бинарни полимерни електролитни системи, фазната структура главно се состои од два вида: кристални области и аморфни региони. Формирањето на кристални региони е кинетички поттикнато и директно поврзано со специфичните услови и време на подготовка. Строго кажано, поради присуството на кристални области во полимерниот систем и значајната варијација на овие региони со различни услови, споредувањето на спроводливоста на различни видови полимерни електролити не е многу научно. Меѓутоа, под одредени услови, ако растот на кристалните области е бавен и отстапувањето во јонската спроводливост е во прифатлив опсег, споредувањето на спроводливоста е прифатливо. Ова е причината зошто ние често споредуваме различни резултати.

Бидејќи растот на сферулитите во полимерот е-зависен од времето, јонската спроводливост на температури под точката на топење на полимерот е исто така-зависна од времето. Понатаму, спроводливоста на литиум{3}}јонот на полимерните електролити е поврзана со брзината на загревање, стапката на ладење и времето на релаксација. На пример, подолго време на релаксација резултира со поцелосна полимерна кристална структура и поголема кристалинност, што доведува до постепено намалување на јонската спроводливост на минимум со зголемување на времето на релаксација. Слично на тоа, побавната стапка на ладење резултира со поцелосна кристализација, а соодветната јонска спроводливост, исто така, постепено ќе се намалува на минимум.

дознајте повеќе

Земајќи го како пример бинарниот цврст полимер електролит на PEO и LiCIO4, оваа структура содржи повеќе фазни структури. Прво, LiClO4 и PEO можат да формираат различни комплекси, вклучувајќи PEO6-LiCIO4, PEO3-LiCIO4, PEO2-LiCIO4 и PEO-LiClO4. Меѓу нив, кога O:Li=10:1, PEO6-LiCIO4 може да формира еутектика со PEO, со точка на топење од 50 степени. Покрај тоа, кога температурата ќе се подигне на 160 степени, може да се формира голема еутектика. За време на процесот на ладење, големата еутектика ќе произведе три различни типа на сферулити: првиот тип се топи над 120 степени и има висока содржина на сол; вториот тип се топи помеѓу 45 и 60 степени, има мала содржина на сол и се формира бавно; третиот тип има точка на топење малку пониска од полимерот домаќин и се формира побрзо. Истражувањата и анализите сугерираат дека: првиот тип на сферулит е веројатно PEO3-LiCIO4; вториот тип може да биде мешавина од комплекси PEO-LiCIO4 и PEO3-LiCIO4; а третиот тип одговара на самиот ПЕО. Понатаму, содржината на литиумска сол и процесот на термичка обработка може да доведат до структурни промени.

Полимерните електролити се класа на функционални полимерни материјали со висока јонска спроводливост, формирани од реакции на сложеност помеѓу полимерите и металните соли користејќи полимери како матрица. Во зависност од полимерната матрица, вообичаените полимерни електролити вклучуваат полимерни електролити базирани на PEO, полимерни електролити базирани на PVDE-, полимерни електролити базирани на PMMA- и други. За разлика од неорганските цврсти-електролити, полимерните електролити се лесни, еластични и стабилни. Како неоргански електролити во цврста-состојба, полимерните електролити не само што спроведуваат јони во литиум-јонските батерии туку и делуваат како раздвојувачи на батериите. Полимерните електролити главно ги имаат следниве предности:

Комплексите формирани од различни соли на литиум (вклучувајќи LBF4, LIPF6, LiCFSO4 и LiASF6) со PEO се во основа слични на оние формирани од LiCIO4, што значи дека типот на литиумската сол нема директно влијание врз типот на комплексот формиран со PEO. Поточно, LiBF може да формира два комплекса со PEO: PEO4-LIBF и PEO,S-LiBF. Кога односот O/Li е помеѓу 16 и 20, PEO2.5-LIBF4 може да формира евтектика со PEO. LPF6 може да формира и два комплекса со PEO: PEO6-LiPF6 и PEO:-LiPF6. Двата комплекса формирани од LiASF6 со PEO се слични на оние на LiPF6, но со релативно повисоки точки на топење. Големите соли на анјонски литиум, исто така, можат да формираат комплекси со PEO, но кинетиката е многу побавна. Понатаму, притисокот до одреден степен влијае и на растот на кристалите. Повисокиот притисок го промовира растот на сферулитот, го намалува аморфниот регион и соодветно ја намалува спроводливоста на литиум-јоните.