Solid-State-Graft Copolymer Elektrolyte für Lithium-Batterie-Anwendungen

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, feste Polymer-Lithium-Batterien herzustellen. Zunächst wird ein Pfropf-Polymer mittels einer radikalischen Polymerisation synthetisiert, anschließend wird die Kathode mit Lithiumpulvern beschichtet. Danach wird das feste Polymer sowohl auf der Kathode als auch auf der Lithium-Metall-Anode aufgebracht.

Bauen Sie nun die Kathode und Anode zu einer Vollzelle zusammen. Der Leitfähigkeitstest dient dazu zu zeigen, dass das feste Polymer als Elektrolyt fungieren kann. Wir hatten die Idee zu dieser Methode zunächst, weil wir die Benetzung zwischen den Kathodenpartikeln und dem Polymerelektrolyten verbessern wollten.

Und dies erreichten wir, indem wir das Polymer auch als Kathodenbinder zur Synthese der Kathodenmischung verwendeten. Lithiumeisenphosphat-Pulver wurden gemeinsam mit Ruß in einem Kugelmühle gemahlen und das Gemisch in der Pfropfcopolymer-Elektrolytlösung im Gewichtsverhältnis fünf zu eins zu eins gelöst. Die Aufschlämmung wurde unter kontinuierlichem Rühren bei offenem Verschluss auf 80 Grad Celsius erhitzt. Anschließend wurde die Aufschlämmung ultraschallbehandelt und magnetisch gerührt, um eine gleichmäßige Durchmischung sicherzustellen.

Tragen Sie nun die Suspension mit einem Doctor Blade bei einem Beladungsfaktor von 10 Milligramm pro Quadratzentimeter auf die Aluminiumfolie auf. Trocknen Sie die Verbundkathode über Nacht in einem Vakuumofen bei 80 Grad Celsius, um restliches Tetrahydro und Feuchtigkeit zu entfernen. Bringen Sie die Verbundkathode in eine mit Argon gefüllte Handschuhbox und stanzen Sie daraus mit einer hochpräzisen Elektrodenstanzmaschine kleine Scheiben mit einer Fläche von 1,4 Quadratzentimetern.

Anschließend wird reine GCE-Lösung mittels Tropfenabgabe auf die Elektrodenscheiben aufgebracht, um die Elektrolytschicht zu bilden. Die fertigen Kathodenelektrolytscheiben werden anschließend in der Handschuhbox auf einer Heizplatte mit einem Taupunkt von 80 Grad Celsius erhitzt, um das THF zu verdampfen. Nun werden mit einem manuellen Schließwerkzeug CR 2 0 3 2 Knopfzellen zusammen mit gleichgroßen, mit GCE beschichteten metallischen Lithiumscheiben montiert.

Um die Leistung zu vergleichen, stellen Sie einen zweiten Satz Zellen her, die aus denselben Lithiumeisenphosphatpulvern und einer Lithium-Metall-Anode bestehen. Verwenden Sie jedoch Harz des Bindemittels A-P-V-D-F, Separator aus A-P-V-D-F und einen flüssigen Elektrolyten mit einer Konzentration von einem molaren Lithiumhexafluorophosphat in einem Verhältnis von EC zu DMC von eins. Führen Sie nun die Zyklierungstests bei Raumtemperatur mit einem 32-Kanal-Mac-4.000-Batterietester durch.

Lithiumbatterien weisen eine höhere Energiedichte auf als Blei-Säure-, Nickel-, Cadmium- und Nickel-Metallhydrid-Batterien. Eine vollständige Lithium-Ionen-Batterie besteht aus einer Kathode und einer Anode, einem Elektrolyten sowie einem Separator. Der Elektrolyt beeinflusst die gesamte Leistungsfähigkeit aufgrund der Impedanz, sowohl durch den Elektrolyten selbst als auch an den Grenzflächen zwischen Elektrode und Elektrolyt.

In diesem Beispiel wurden die beiden Monomere POEM und PDMS verwendet, um ein Pfropfcopolymer mit einem endgültigen Molekulargewicht von 500.000 Gramm pro Mol herzustellen. Die Knopfzelle wurde wie in diesem Schema dargestellt zusammengesetzt, das graue Partikel aus Lithiumeisenphosphat, schwarze Kohlenstoffpartikel, blaue Spaghetti, GCE und eine Anode aus Lithiummetall zeigt. Im Gegensatz zur Flüssigkeit müssen Ionen beim Transport entlang der Polymerketten zwei Aktivierungsbarrieren überwinden.

Die Stabilisierung der Ionen durch die koordinierenden EO-Einheiten weist unsere stärkste Abhängigkeit auf, und die segmentale Bewegung des Polymers zeigt eine VLE-Toman-Vulture-Abhängigkeit. Diese Daten zur Zellzyklusleistung bei Raumtemperatur zeigen die Lade- und Entladeprofile von Zellen mit herkömmlichem flüssigem Elektrolyten bei 15 Milliampere pro Gramm und einem Pfropfcopolymer-Elektrolyt-Binder bei 10 Milliampere pro Gramm. Wie erwartet, sind die Entladespannungsprofile der Festpolymerzellen temperaturabhängig bei unterschiedlichen Entladeströmen.

Die Entladespannungsprofile können als Funktion der spezifischen Kapazität dargestellt werden. Beachten Sie, dass bei höheren Temperaturen eine bessere Leistung erzielt wird. Die Energiedichten bei verschiedenen Leistungsdichten können als Ragone-Diagramm für Polymer- und Flüssigelektrolyt-Batterien dargestellt werden.

Beachten Sie, dass feste Polymerbatterien bei hohen Temperaturen sicher betrieben werden können, wenn dieses Verfahren befolgt wird. Andere Methoden wie die Zählung und die Partikelgrößenanalyse können verwendet werden, um zusätzliche Fragen zu beantworten, beispielsweise bezüglich der Porosität der Kathoden und der Wirkung der Partikelgröße auf die Gesamtvariabilität der Batterie.