مزایای کاربرد الکترولیت جامد

الکترولیت جامد روند توسعه الکترولیت های باتری لیتیوم در آینده است ، زیرا فناوری باتری الکترولیت جامد تا به امروز توسعه یافته است. از دیدگاه فنی ، الکترولیت های جامد را می توان به الکترولیت های اکسید ، الکترولیت های سولفید ، الکترولیت های پلیمری آلی و الکترولیت های LiPON تقسیم کرد. می توان گفت که نسبتاً بالغ است اما با گلوگاه نیز روبرو شده است. تولد نسل جدید فناوری بخصوص در زمینه انرژی های جدید بسیار ضروری است. انتظار می رود باتری های حالت جامد به یکی از جذاب ترین باتری های نسل بعدی باتری های برقی تبدیل شوند. از آنجا که باتری های حالت جامد نه تنها از بلوغ تکنولوژیکی بالایی برخوردار هستند ، بسیاری از شرکت های تولید کننده باتری لیتیوم یون داخلی و خارجی نیز فناوری باتری های حالت جامد را به عنوان ذخیره مهم فناوری نسل بعدی در نظر گرفته اند.

در اوایل توسعه فناوری باتری حالت جامد ، به دلیل رسانایی نسبتاً کم مواد الکترولیت جامد ، تمرکز تحقیق و توسعه بیشتر بر روی هدایت الکترولیت های جامد بود. بنابراین ، الکترولیت های جامد سولفید و الکترولیت های جامد اکسید با هدایت یونی بالا طیف وسیعی از توجه را به خود جلب کرده اند.

باتری های لیتیوم یونی تمام حالت جامد از الکترولیت های جامد به جای الکترولیت های مایع آلی سنتی استفاده می کنند ، که می تواند به خوبی مسائل ایمنی باتری را حل کند و منبع انرژی شیمیایی ایده آل برای وسایل نقلیه الکتریکی و ذخیره انرژی در مقیاس بزرگ است. نکته اصلی تهیه الکترولیت های جامد با هدایت دمای بالا در اتاق و پایداری الکتروشیمیایی و همچنین مواد الکترود با انرژی بالا و مناسب برای همه باتری های لیتیوم یون حالت جامد و بهبود سازگاری رابط الکترود / الکترولیت جامد است.

باتری های لیتیوم حالت جامد بر اساس باتری های لیتیوم تولید می شوند. در مقایسه با باتری های لیتیوم سنتی ، آنها عمدتا دیگر از مایع یا ژل به عنوان ماده رسانا بین الکترودهای مثبت و منفی استفاده نمی کنند ، که این امر ایمنی خودرو و توانایی مقاومت در برابر دمای بالا را بسیار بهبود می بخشد. . این مزایای ایمنی بالا ، تراکم انرژی بالا ، عمر چرخه طولانی و دامنه دمای عملیاتی گسترده را دارد که هسته اصلی آن الکترولیت جامد است.

الکترولیت های جامد اکسید را می توان با توجه به ساختار مواد به بلوری و شیشه ای (آمورف) تقسیم کرد. الکترولیت های کریستالی شامل نوع پروسکیت ، نوع NASICON ، نوع LISICON و نوع گارنت و ... الکترولیت اکسید شیشه ای کانون تحقیقاتی الکترولیت نوع LiPON است که در باتری های فیلم نازک استفاده می شود.

الکترولیت جامد کریستالی اکسید از ثبات شیمیایی بالایی برخوردار است و می تواند به طور پایدار در اتمسفر وجود داشته باشد ، که برای تولید باتری های حالت جامد مفید است. هدف تحقیق بهبود هدایت یونی دمای اتاق و سازگاری آن با الکترودها است. در حال حاضر ، روش های بهبود رسانایی عمدتا جایگزینی عناصر و دوپینگ عناصر هترووالانت است و سازگاری با الکترودها نیز مسئله مهمی است که کاربرد آن را محدود می کند.

متداول ترین الکترولیت جامد کریستالی سولفید ، thio-LISICON است که اولین بار توسط پروفسور KANNO از انستیتوی فناوری توکیو در سیستم Li2S-GeS2-P2S کشف شد. ترکیب شیمیایی Li4-xGe1-xPxS4 است و هدایت یونی دمای اتاق تا 2.2 × 10 است. -3S / cm (جایی که x=0.75) و رسانایی الکترونیکی را نمی توان نادیده گرفت. فرمول شیمیایی عمومی thio-LISICON Li4-xGe1-xPxS4 است (A=Ge ، Si و غیره ، B=P ، Al ، Zn و غیره).

الکترولیت جامد شیشه سولفید معمولاً از P2S5 ، SiS2 ، B2S3 و سایر فرم دهنده های شبکه و اصلاح کننده شبکه Li2S تشکیل شده است. این سیستم عمدتا شامل Li2S-P2S5 ، Li2S-SiS2 ، Li2S-B2S3 است. این ترکیب دارای دامنه تغییر گسترده ، هدایت یونی دمای اتاق بالا ، پایداری حرارتی بالا ، عملکرد ایمنی خوب و پنجره پایداری الکتروشیمیایی گسترده (تا 5 ولت) است. این دارای مزایای برجسته در باتری های حالت جامد با قدرت بالا و دمای پایین و دارای پتانسیل زیادی در مورد مواد الکترولیت باتری حالت جامد است.

الکترولیت جامد پلیمر از ماتریس پلیمری (مانند پلی استر ، پلیمراز و پلی آمین و غیره) و نمک لیتیوم (مانند LiClO4 ، LiAsF4 ، LiPF6 ، LiBF4 و غیره) تشکیل شده است ، به دلیل وزن سبک ، خاصیت خاصیت انعطاف پذیری خوب و عالی عملکرد پردازش مکانیکی و سایر ویژگی ها مورد توجه گسترده قرار گرفته است.

SPE های معمولی شامل سیستم های پلی اتیلن اکسید (PEO) ، پلی اکریلونیتریل (PAN) ، پلی وینیلیدن فلوراید (PVDF) ، پلی متیل متاکریلات (PMMA) ، پلی پروپیلن اکسید (PPO) ، پلی وینیلیدین کلراید (PVDC) و الکترولیت های پلیمری تک یونی هستند.

در حال حاضر ، ماتریس جریان اصلی SPE هنوز اولین PEO و مشتقات آن است که دلیل اصلی آن پایداری PEO به لیتیوم فلز و توانایی تفکیک بهتر نمک های لیتیوم است.

الکترولیت LiPON توسط آزمایشگاه ملی Oak Ridge (ORNL) در ایالات متحده ساخته شده است. فیلم الکترولیت اکسی نیترید فسفر لیتیوم (LiPON) با پاشیدن یک هدف Li3P04 با خلوص بالا با استفاده از دستگاه پاشش مگنترون فرکانس رادیویی در جو نیتروژن با خلوص بالا تهیه شد.

این قابل درک است که این ماده دارای عملکرد جامع عالی است ، هدایت یونی دمای اتاق 2.3 × 10-6S / سانتی متر است ، پنجره الکتروشیمیایی 5.5 ولت است (http://vs.Li/Li+) ، ثبات حرارتی خوب است ، و الکترودهای مثبت مانند LiCoO2 ، LiMn2O4 و الکترودهای منفی مانند فلز لیتیوم و آلیاژ لیتیوم سازگاری خوبی دارند. رسانایی یونی فیلم LiPON به ساختار بی شکل و محتوای N در ماده فیلم بستگی دارد. افزایش محتوای N می تواند هدایت یونی را بهبود بخشد.