리튬 배터리 애플리케이션을위한 고체 그래프트 공중 합체 전해질

요약

리튬 이온 배터리는 주위 온도 응용 프로그램에 적합 가연성 및 휘발성 유기 전해질을 사용합니다. 유기 전해질에 대한 안전한 대안은 솔리드 폴리머 배터리입니다. 고체 고분자 전지 따라서 이러한 깊은 석유 시추 및 하이브리드 전기 자동차와 같은 고온 응용 프로그램들을 적용하고, 높은 온도 (> 120 ° C)에서 안전하게 작동합니다. 이 문서는 (a) 고분자 합성, (B) 고분자 전도 메커니즘, 그리고 (c) 고체 고분자 유기 전해질 모두 온도 사이클을 제공에 대해 설명합니다.

초록

배터리 안전 지난 10 년간 매우 중요한 연구 분야이다. 상업적으로 이용 가능한 리튬 이온 배터리는 낮은 인화점 인화성 (<80 ℃) 및 휘발성 유기 전해질을 사용합니다. 이러한 유기 기반의 전해질 시스템은 주위 온도에서 생존하지만, 그 온도가 80 ° C를 초과하지 않도록 보장하기 위해 냉각 시스템이 필요 이러한 냉각 시스템은 배터리 비용을 증가시키는 경향이 배터리 고장 및 폭발로 이어질 수 오작동, 따라서 인간의 생명을 위협 할 수 있습니다. 석유 가격의 상승은 유가 상승이 지속적으로 운영하는 경제적이다 안전, 전기 하이브리드 차량을위한 거대한 수요로 이어집니다. 리튬 이온 전지에 사용되는 기존의 유기 기반의 전해질이 고온 자동차 애플리케이션에 적용되지 않습니다. 유기 전해질에 대한 안전한 대안은 고체 고분자 전해질이다. 이 작품은 이식 공중 합체 전해질 (GCE) 폴리 (O의 합성을 강조 할 것xyethylene) 낮은 유리 전이 온도 (T _g) 폴리 (옥시 에틸렌) 아크릴 레이트 (POEA)의 블록 메타 크릴 레이트 (POEM). 전도 메커니즘이 논의되었습니다 그리고 그것은 고분자 분절 운동 및 이온 전도도의 관계가 실제로 보글 - Tammann-펄쳐 (VTF) 의존성을 가지고 입증되었습니다. 상업적으로 이용 가능한 LP30 유기 (에틸렌 카보네이트의 LiPF ₆ (EC) : 1:1의 비율로 디메틸 카보네이트 (DMC))를 포함하는 배터리와 GCE는 주위 온도에서 순환했다. 그것은 LP30 전해질에 비해 상온에서, GCE가 포함 된 건전지가 큰 과전압을 보였다 것으로 나타났습니다. 그러나 60 ° C보다 높은 온도에서, GCE 셀은 빠른 고분자 전해질 전도도로 인해 훨씬​​ 낮은 과전압 전시 및 170 MAH / g의 거의 완전한 이론적 특정 용량에 액세스했습니다.

서론

리튬 (리튬)은 높은 전기 금속 (표준 수소 전극을 기준으로 -3.04 V), 그리고 가벼운 금속 (6.94 g / 몰 당량 및 0.53 g / cm ^3의 비중)입니다. 이 휴대용 에너지 저장 장치의 음극 이상적인있는 활성 물질에 대한 선택으로는 매력적인 만드는 곳 크기와 무게 문제. 그림 1은 리튬 기반 배터리 (리튬 이온, PLiON 및 리튬 금속) 높은 에너지 밀도를 가지고 납 축전지, 니켈 카드뮴, 니켈 - 금속 수소 전지 ^1보다.

전체 리튬 이온 전지는 음극 (긍정적), 양극 (음수), 전해질 및 분리 (그림 2)로 구성되어 있습니다. 음극과 양극이 모두 리튬 이온 넣다 또는 (양극 탄소 경우, 리 중립 리튬으로 intercalates) 가역적 드 넣다 수 있습니다 층간 화합물이다. 전해질 이온 전도 및 단열 전기를 제공전극 사이의 NIC 전도. 구분 기호는 단락에서 두 개의 전극을 유지하기 위해 이온 투과하지만, 기계적 강성이다. 세포가 완전히 충전 된 상태에있을 때 리 모두는 양극에 협재 있으며, 셀이 완전 방전 상태에있을 때 리튬 이온의 모든 음극에 협재되어 있습니다. 자발적인 반응하는 동안, 전원 장치에 외부 회로를 통해 양....

프로토콜

1. 접목 공중 합체의 합성 ^18-19

1. 시의 26 ML (또는 POEA) 단량체 (그림 3)을 혼합하여 자유 라디칼 중합 방법을 사용하여 그라프 트 공중 합체 (POEM-G-PDMS와 70:30의 중량비로 POEA-G-PDMS), PDMS의 거대 12 mL를 합성 그리고 2,2의 12 MG '- 아조 비스 (2 - methylpropionitrile) (AIBN) (단량체 : 개시 [825:1]) EA의 160 ML한다.
2. 45 분 초 고순도 아르곤과 고무 격막 및 제거와 맑은 용액이 들어있는 플라스크를 밀봉하십시오.
3. 72 용액을 가열 ° C 24 시간 동안 일정하게 교반 기름 목욕 (AIBN 3.2 × 10 ^-5 초 ^-1의 분해 속도를 가지고).
4. 처음에 명확한 솔루션은 일반적으로 2 시간 이내에 눈에 띄게 우유되었다. 섞이지 않는 용매, PE의 최종 솔루션을 침전. 잔류 수분을 제거하기 위하여 5 일 이하 5 mTorr의 진공 하에서 80 ° C에서 고분자를 건조.
5. 그것은 발견되었다는 고분자 N 인 경우OT는 과도한 습기는 고분자 박막으로 주조되었을 때 형성을 균열로 이어질 것입니다, 제대로 건조.

결과

실내 온도 세포 순환 성능은 그림 8에 나와 있습니다. 왼쪽 그래프는 15에서 기존의 액체 전해질 (LP30)를 가진 세포의 충전 및 방전 프로파일을 보여줍니다 mA / g, 10시 GCE / 바인더 mA / g. 그림 9는 상온에서 고체 고분자 전지의 방전 전압 프로파일을 보여줍니다, 60 ° C, 120 ° C 특정 용량의 함수와 같은 방전 전압 프로파일이 현재 방전 μA에 그림 10에 표시된 및 방전 곡선 옆에 표시되어 0.05 C의 낮은 전류를 사용하여. 그림 10을 보여줍니다별로 상온 및 고온에서 훨씬 더 속도 기능에서 속도 기능을 제공합니다. 다른 전력 밀도 (방전 전압과 일정한 전류를 곱한)의 에너지 밀도 (특정 용량과 관련하여 방전 전압을 통합하는) 서로 다른 온도는 그림 11 Ragone 음모에 표시됩니다eratures.

토론

LiFePO ₄ / GCE / 리 커브는 충전과 방전 모두 LiFePO ₄ / LP30/Li 곡선보다 큰 과전압을 보여줍니다. GCE는 전해질과 바인더로 모두 사용하고 있기 때문에, 이온 전도는 음극 입자의 모든 제공, 거의 전체 실제 특정 용량 (150 MAH / G)가 접근했다합니다. 그것은 실내 온도에서 낮은 LiFePO ₄ 입자 내에서의 리튬 확산에 의해 제한되어 있기 때문에 170 MAH / g의 이론적 특정 용량은 달성되지 않습니다. 제 50 딥 사이클 자전거 용량은 오른쪽 그래프에 표시됩니다. 처음 5주기 동안 에너지 효율이 낮은 (대형 충전 / 방전 용량 비율), 리튬 양극 패시베이션 층의 형성에 관한 가역 용량 손실 가능성 때문이다. 음이온, L를 생산하는 것으로 알려져 있습니다 ^- 보호막 필름은 리튬 금속과 CF ₃ SO _3의 잔류 용매 THF 사이의 반응에서 발생할 수종합니다.

재료

이 논문에 사용된 재료 목록

이름	회사	카탈로그 번호	댓글
시	시그마 알드리치	26915-72-0
POEA	시그마 알드리치	32171-39-4
LiTFSI	시그마 알드리치	90076-65-6
AIBN	시그마 알드리치	78-67-1
EA	시그마 알드리치	141-78-6
THF	시그마 알드리치	109-99-9
PDMS	겔레스트	146632-07-7
아르곤 가스	공기 가스		초고순도 (등급 5)
PE	시그마 알드리치	8032-32-4
LiFePO4	Gelon
카본 블랙	SuperP		Super P
리튬 메탈	알파 Aesar	7439-93-2
PVDF 바인더 수지	Kynar		Kynar
PVDF 분리기	Celgard
LP30	Merck		LiPF6 in EC:DMC
MACCOR 배터리 테스터	MACCOR
엘 컷	EL-CELL&		nbsp;