Prednosti primjene čvrstog elektrolita

Čvrsti elektrolit je trend u razvoju elektrolita litij baterije u budućnosti, jer se tehnologija čvrste elektrolite baterije razvila do danas. Iz tehničke perspektive, čvrsti elektroliti se mogu podijeliti na oksidne elektrolite, sulfidne elektrolite, organske polimerne elektrolite i LiPON elektrolite. Može se reći da je relativno zrela, ali je naišla i na ušno grlo. Hitno je potrebno rođenje nove generacije tehnologije, posebno u oblasti nove energije. Očekuje se da će baterije čvrstog stanja postati najapalezivnije među tehnologijama baterija sledeće generacije. Zato što sve-solid-state baterije ne samo da imaju relativno visoku tehnološku zrelost, mnoge domaće i strane litij-ione baterije su također smatrale sve-solid-state tehnologiju baterije kao važnu tehnološku rezervu sljedeće generacije.

U ranom razvoju tehnologije baterija čvrstog stanja, zbog relativno niske provodljivosti čvrstih elektrolita, fokus istraživanja i razvoja je uglavnom bio na poboljšanju provodljivosti čvrstih elektrolita. Stoga su sulfidi čvrsti elektroliti i oksid čvrsti elektroliti sa visokom ionom provodljivosti privukli širok spektar pažnje.

Sve-solid-state litij-ione baterije koriste čvrste elektrolite umjesto tradicionalnih organskih tekućih elektrolita, koji mogu dobro riješiti pitanja sigurnosti baterija i idealni su hemijski izvori energije za električna vozila i skladištenje energije velikih razmjera. Ključ je pripremiti čvrste elektrolite s visoko prostornom temperaturnom provodljivošću i elektrohemijsku stabilnost, kao i visokoelektronske elektrode materijale pogodan za sve litij-ione baterije čvrstog stanja, te poboljšati kompatibilnost elektrodnog/čvrstog elektrolitnog interfejsa.

Litijumske baterije čvrstog stanja se razvijaju na osnovu litij baterija. U poređenju sa tradicionalnim litij baterijama, uglavnom više ne koriste tečnost ili gel kao provodni materijal između pozitivnih i negativnih elektroda, što uveliko poboljšava sigurnost automobila i sposobnost da izdrži visoke temperature. . Ima prednosti visoke sigurnosti, visoke energetske denzitete, dugog ciklusa života, i širokog raspona operativnih temperatura, među kojima je i samo jezgro čvrsti elektrolit.

Oksid čvrsti elektroliti mogu se podijeliti na kristalne i staklene (amorfne) prema materijalnoj strukturi. Kristalni elektroliti uključuju perovskite tip, NASICON tip, LISICON tip i tip garneta itd. Elektrolit staklenog oksida Žarište istraživanja je elektrolit tipa LiPON koji se koristi u tankim filmskim baterijama.

Oksid kristalni čvrsti elektrolit ima visoku hemijsku stabilnost i može postojati stabilan u atmosferi, što je korisno za proizvodnju sve-čvrstog stanja baterija. Fokus istraživanja je poboljšanje ionske provodljivosti temperature sobe i njene kompatibilnosti sa elektrodama. Trenutno, metode za poboljšanje provodljivosti su uglavnom zamjena elemenata i heterovalentni element doping, a kompatibilnost s elektrodama je također važno pitanje koje ograničava njegovu primjenu.

Najtipičniji sulfidni kristalni čvrsti elektrolit je tio-LISICON, koji je prvi otkrio profesor KANNO iz Tokijskog instituta za tehnologiju u li2S-GeS2-P2S sistemu. Hemijski sastav je Li4-xGe1-xPxS4, a provodljivost ionske temperature sobe je visoka do 2,2×10. -3S/cm (gdje je x=0,75), a elektronska provodljivost se može zanemariti. Opća hemijska formula tio-LISICON je Li4-xGe1-xPxS4 (A=Ge, Si itd., B=P, Al, Zn itd.).

Čvrsti elektrolit od sulfidnog stakla obično se sačinjava od P2S5, SiS2, B2S3 i drugih bivših mreža i mrežnog modifikatora Li2S. Sistem uglavnom uključuje Li2S-P2S5, Li2S-SiS2, Li2S-B2S3. Sastav ima širok raspon varijacija, visoku prostornu temperaturu ionu provodljivosti, visoku toplinsku stabilnost, dobre sigurnosne performanse, i široki elektrohemijski prozor stabilnosti (do 5V). Ima izvanredne prednosti u visokoj snazi i visokotemeraturnim baterijama čvrstog stanja i ima veliki potencijal elektrolita baterijskih materijala čvrstog stanja.

Polimer čvrsti elektrolit se sačinjava od polimerne matrice (kao što su poliester, polimeraza i poliamin itd.) i litijumska sol (kao što su LiClO4, LiAsF4, LiPF6, LiBF4 itd.), zbog svoje lagane težine, dobre viskoelastičnosti, te izvrsne mehaničke obrade I druge karakteristike su primili široku pažnju.

Uobičajeni SPE uključuju polietilenski oksid (PEO), poliaklilonitril (PAN), poliviniliden fluor (PVDF), polimetilmetakrilat (PMMA), polipropilenski oksid (PPO), poliviniliden hlorid (PVDC) i jednoionske polimerne elektrolite.

Trenutno, mainstream SPE matrica je i dalje prvi predloženi PEO i njegovi derivati, uglavnom zbog stabilnosti PEO do metalnog litija i njegove sposobnosti da bolje disocira litij soli.

LiPON elektrolit je napravljen od strane Oak Ridge National Laboratory (ORNL) u SAD-u. Litij-fosfor oksinitrid (LiPON) elektrolitni film je pripremljen tako što je sputterirao metu visoke čistoće Li3P04 koristeći radiofekventni magnetron sputtering uređaj u dušikovoj atmosferi visoke čistoće.

Shvaćeno je da materijal ima izvrsne sveobuhvatne performanse, Ionska provodljivost temperature sobe je 2,3×10-6S/cm, elektrokemijski prozor je 5,5V (http://vs.Li/Li+), toplotna stabilnost je dobra, a Pozitivne elektrode kao što su LiCoO2, LiMn2O4, a negativne elektrode kao što su litij metal i litij legure imaju dobru kompatibilnost. Ionska provodljivost LiPON filma zavisi od amorfne strukture i sadržaja N u filmskoj građi. Povećanje N sadržaja može poboljšati ionsku provodljivost.