Výhody aplikace tuhého elektrolytu

Pevný elektrolyt je trendem ve vývoji elektrolytů lithiové baterie v budoucnu, protože technologie pevných elektrolytových baterií se vyvinula dodnes. Z technického hlediska lze pevné elektrolyty rozdělit na oxidové elektrolyty, sulfidové elektrolyty, organické polymerní elektrolyty a elektrolyty LiPON. Lze říci, že je poměrně zralý, ale také narazil na úzké místo. Naléhavě je třeba zrod nové generace technologií, zejména v oblasti nové energie. Očekává se, že polovodičové baterie se stanou nejatraktivnější technologií mezi bateriemi nové generace. Vzhledem k tomu, že plně solid-state baterie mají nejen relativně vysokou technologickou vyspělost, mnoho tuzemských i zahraničních společností na výrobu lithium-iontových baterií považuje technologii all-state-battery také za důležitou technologickou rezervu nové generace.

V časném vývoji technologie polovodičových baterií se kvůli relativně nízké vodivosti materiálů pevných elektrolytů zaměřil výzkum a vývoj hlavně na zlepšení vodivosti pevných elektrolytů. Proto sulfidové pevné elektrolyty a oxidové pevné elektrolyty s vysokou iontovou vodivostí přitahovaly širokou škálu pozornosti.

Všechny polovodičové lithium-iontové baterie používají místo tradičních organických kapalných elektrolytů pevné elektrolyty, které mohou dobře vyřešit problémy s bezpečností baterií a jsou ideálním chemickým zdrojem energie pro elektrická vozidla a skladování energie ve velkém. Klíčem je příprava pevných elektrolytů s vysokou vodivostí při pokojové teplotě a elektrochemické stabilitě, jakož i vysoce energetických elektrodových materiálů vhodných pro všechny lithium-iontové baterie v pevné fázi a zlepšení kompatibility rozhraní elektroda / pevný elektrolyt.

Polovodičové lithiové baterie jsou vyvíjeny na základě lithiových baterií. Ve srovnání s tradičními lithiovými bateriemi již většinou nepoužívají kapalinu nebo gel jako vodivý materiál mezi kladnou a zápornou elektrodou, což výrazně zvyšuje bezpečnost automobilu a schopnost odolávat vysokým teplotám. . Má výhody vysoké bezpečnosti, vysoké hustoty energie, dlouhé životnosti a širokého rozsahu provozních teplot, mezi nimiž samotné jádro tvoří pevný elektrolyt.

Oxidové pevné elektrolyty lze rozdělit na krystalické a sklovité (amorfní) podle struktury materiálu. Krystalické elektrolyty zahrnují perovskitový typ, typ NASICON, typ LISICON a granátový atd. Skelný oxidový elektrolyt Hotspot pro výzkum je elektrolyt typu LiPON používaný v tenkovrstvých bateriích.

Oxidový krystalický tuhý elektrolyt má vysokou chemickou stabilitu a může existovat stabilně v atmosféře, což je výhodné pro výrobu ve velkém měřítku všech baterií v pevné fázi. Cílem výzkumu je zlepšit iontovou vodivost při pokojové teplotě a její kompatibilitu s elektrodami. V současné době jsou metodami ke zlepšení vodivosti hlavně nahrazování prvků a dopování heterovalentních prvků a kompatibilita s elektrodami je také důležitým problémem, který omezuje jeho použití.

Nejtypičtějším sulfidovým krystalickým pevným elektrolytem je thio-LISICON, který poprvé objevil profesor KANNO z Tokijského technologického institutu v systému Li2S-GeS2-P2S. Chemické složení je Li4-xGe1-xPxS4 a iontová vodivost při pokojové teplotě je až 2,2 × 10. -3S / cm (kde x=0,75) a elektronickou vodivost lze ignorovat. Obecný chemický vzorec thio-LISICONU je Li4-xGe1-xPxS4 (A=Ge, Si atd., B=P, Al, Zn atd.).

Pevný elektrolyt ze sulfidového skla se obvykle skládá z P2S5, SiS2, B2S3 a dalších síťových formovačů a síťového modifikátoru Li2S. Systém zahrnuje hlavně Li2S-P2S5, Li2S-SiS2, Li2S-B2S3. Kompozice má široký rozsah variací, vysokou vodivost iontů při pokojové teplotě, vysokou tepelnou stabilitu, dobrý bezpečnostní výkon a široké okno pro elektrochemickou stabilitu (až 5 V). Má vynikající výhody ve vysokovýkonných a nízkoteplotních polovodičových bateriích a má velký potenciál elektrolytových materiálů polovodičových baterií.

Polymerní pevný elektrolyt se skládá z polymerní matrice (jako je polyester, polymeráza a polyamin atd.) A lithné soli (jako je LiClO4, LiAsF4, LiPF6, LiBF4 atd.), Protože má nízkou hmotnost, dobrou viskoelasticitu a vynikající mechanickému zpracování a dalším charakteristikám byla věnována velká pozornost.

Běžné SPE zahrnují polyethylenoxid (PEO), polyakrylonitril (PAN), polyvinylidenfluorid (PVDF), polymethylmethakrylát (PMMA), polypropylenoxid (PPO), polyvinylidenchlorid (PVDC) a jednoiontové polymerní elektrolytové systémy.

V současné době je hlavní matice SPE stále prvním navrhovaným PEO a jeho deriváty, zejména kvůli stabilitě PEO vůči kovovému lithiu a jeho schopnosti lépe disociovat lithné soli.

Elektrolyt LiPON vyrábí Oak Ridge National Laboratory (ORNL) ve Spojených státech. Film elektrolytu lithium fosforu oxynitrid (LiPON) byl připraven rozprašováním vysoce čistého cíle Li3P04 pomocí vysokofrekvenčního magnetronového rozprašovacího zařízení v atmosféře dusíku vysoké čistoty.

Je zřejmé, že materiál má vynikající komplexní výkon, iontová vodivost při pokojové teplotě je 2,3 × 10-6S / cm, elektrochemické okénko je 5,5V (http://vs.Li/Li+), tepelná stabilita je dobrá a Pozitivní elektrody, jako je LiCoO2, LiMn2O4, a záporné elektrody, jako je lithný kov a lithiová slitina, mají dobrou kompatibilitu. Iontová vodivost filmu LiPON závisí na amorfní struktuře a obsahu dusíku ve filmovém materiálu. Zvýšení obsahu N může zlepšit iontovou vodivost.