Výhody aplikácie tuhého elektrolytu

Tuhý elektrolyt je trendom vo vývoji elektrolytov lítiových batérií v budúcnosti, pretože technológia batérií na tuhé elektrolyty sa vyvinula dodnes. Z technického hľadiska možno tuhé elektrolyty rozdeliť na oxidové elektrolyty, sulfidové elektrolyty, organické polymérové ​​elektrolyty a elektrolyty LiPON. Dá sa povedať, že je pomerne vyspelý, ale narazil aj na úzke miesto. Naliehavo je potrebné zrodiť novú generáciu technológií, najmä v oblasti novej energie. Očakáva sa, že polovodičové batérie sa stanú najatraktívnejšími spomedzi technológií napájacích batérií novej generácie. Pretože celotelové batérie majú nielen relatívne vysokú technologickú vyspelosť, mnoho domácich i zahraničných spoločností na výrobu lítium-iónových batérií tiež považovalo technológiu všetkých polovodičových batérií za dôležitú technologickú rezervu novej generácie.

Pri počiatočnom vývoji technológie batérií v pevnom stave sa výskum a vývoj zameral hlavne na zlepšenie vodivosti pevných elektrolytov z dôvodu relatívne nízkej vodivosti materiálov tuhého elektrolytu. Preto sulfidové tuhé elektrolyty a oxidové tuhé elektrolyty s vysokou iónovou vodivosťou priťahovali široký rozsah pozornosti.

Celokovové lítium-iónové batérie používajú namiesto tradičných organických kvapalných elektrolytov pevné elektrolyty, ktoré dokážu dobre vyriešiť problémy s bezpečnosťou batérií a sú ideálnym zdrojom chemickej energie pre elektrické vozidlá a veľké energetické úložiská. Kľúčom je príprava tuhých elektrolytov s vysokou vodivosťou pri izbovej teplote a elektrochemickej stabilite, ako aj vysokoenergetických elektródových materiálov vhodných pre všetky lítium-iónové batérie v pevnom stave a zlepšenie kompatibility rozhrania elektróda / tuhý elektrolyt.

Polovodičové lítiové batérie sú vyvinuté na základe lítiových batérií. V porovnaní s tradičnými lítiovými batériami už väčšinou nepoužívajú ako vodivý materiál medzi kladnou a zápornou elektródou tekutinu ani gél, čo výrazne zvyšuje bezpečnosť automobilu a schopnosť odolávať vysokým teplotám. . Má výhody vysokej bezpečnosti, vysokej hustoty energie, dlhej životnosti a širokého rozsahu prevádzkových teplôt, pričom jadrom je tuhý elektrolyt.

Oxidové pevné elektrolyty sa dajú rozdeliť na kryštalické a sklovité (amorfné) podľa štruktúry materiálu. Medzi kryštalické elektrolyty patrí perovskitový typ, typ NASICON, typ LISICON, granátový atď. Sklovitý oxidový elektrolyt Horúcou oblasťou pre výskum je elektrolyt typu LiPON používaný v tenkovrstvových batériách.

Oxidový kryštalický tuhý elektrolyt má vysokú chemickú stabilitu a môže sa stabilne vyskytovať v atmosfére, čo je prospešné pre veľkovýrobu batérií v pevnom stave. Cieľom výskumu je zlepšiť iónovú vodivosť izbovej teploty a jej kompatibilitu s elektródami. V súčasnosti sú metódami na zlepšenie vodivosti hlavne výmena prvkov a dopovanie heterovalentných prvkov a kompatibilita s elektródami je tiež dôležitým problémom, ktorý obmedzuje ich použitie.

Najtypickejším sulfidickým kryštalickým tuhým elektrolytom je tio-LISICON, ktorý ako prvý objavil profesor KANNO z Tokijského technologického inštitútu v systéme Li2S-GeS2-P2S. Chemické zloženie je Li4-xGe1-xPxS4 a iónová vodivosť pri teplote miestnosti je až 2,2 × 10. -3S / cm (kde x=0,75) a elektronická vodivosť môže byť ignorovaná. Všeobecný chemický vzorec tio-LISICONU je Li4-xGe1-xPxS4 (A=Ge, Si, atď., B=P, Al, Zn, atď.).

Pevný elektrolyt zo sulfidového skla sa obvykle skladá z P2S5, SiS2, B2S3 a ďalších sieťotvorných látok a sieťového modifikátora Li2S. Systém obsahuje hlavne Li2S-P2S5, Li2S-SiS2, Li2S-B2S3. Kompozícia má široký rozsah variácií, vysokú vodivosť iónov pri izbovej teplote, vysokú tepelnú stabilitu, dobrý bezpečnostný výkon a široké okno elektrochemickej stability (do 5 V). Má vynikajúce výhody v batériách s vysokým výkonom a pri nízkych teplotách v polovodičových batériách a má veľký potenciál materiálov elektrolytu v polovodičových batériách.

Polymérny tuhý elektrolyt je zložený z polymérnej matrice (ako je polyester, polymeráza a polyamín atď.) A lítnej soli (napríklad LiClO4, LiAsF4, LiPF6, LiBF4 atď.) Kvôli svojej nízkej hmotnosti, dobrej viskoelasticite a vynikajúcej mechanickému spracovateľskému výkonu a ďalším charakteristikám bola venovaná rozsiahla pozornosť.

Medzi bežné SPE patrí polyetylénoxid (PEO), polyakrylonitril (PAN), polyvinylidénfluorid (PVDF), polymetylmetakrylát (PMMA), polypropylénoxid (PPO), polyvinylidénchlorid (PVDC) a systémy iónových polymérnych elektrolytov.

V súčasnosti je hlavný prúd SPE matice stále prvým navrhovaným PEO a jeho derivátmi, hlavne kvôli stabilite PEO voči kovovému lítiu a jeho schopnosti lepšie disociovať lítne soli.

Elektrolyt LiPON vyrába Národné laboratórium Oak Ridge (ORNL) v Spojených štátoch. Film elektrolytu lítium-fosforu-oxynitridu (LiPON) sa pripravil rozprašovaním vysoko čistého Li3P04 terča pomocou vysokofrekvenčného magnetrónového rozprašovacieho zariadenia v atmosfére vysoko čistého dusíka.

Je zrejmé, že materiál má vynikajúci komplexný výkon, iónová vodivosť pri izbovej teplote je 2,3 × 10-6S / cm, elektrochemické okno je 5,5V (http://vs.Li/Li+), tepelná stabilita je dobrá. a Pozitívne elektródy ako LiCoO2, LiMn2O4 a záporné elektródy ako lítny kov a lítiová zliatina majú dobrú kompatibilitu. Iónová vodivosť filmu LiPON závisí od amorfnej štruktúry a obsahu dusíka vo filmovom materiáli. Zvýšenie obsahu N môže zlepšiť iónovú vodivosť.