리튬 배터리 애플리케이션을위한 고체 그래프트 공중 합체 전해질

본 실험 과정의 전체적인 목표는 고체 고분자 리튬 배터리를 제작하는 것입니다. 먼저, 자유 라디칼 중합법을 사용하여 그라프트 고분자를 합성한 후, 양극을 리튬 분말로 코팅합니다. 이어서 양극과 리튬 금속 음극 모두에 고체 고분자를 코팅합니다.

이제 양극과 음극을 조립하여 풀셀(full cell)을 구성합니다. 전도도 테스트는 고체 고분자가 전해질로서 기능할 수 있음을 보여주기 위해 사용됩니다. 당사는 양극 입자와 고분자 전해질 사이의 젖음성을 개선하고자 하는 목적에서 처음으로 이 방법의 아이디어를 얻었습니다.

양극 혼합물을 합성하기 위해 해당 폴리머를 양극 바인더로도 사용하였습니다. 리튬 인산철 분말을 카본 블랙과 함께 볼 밀링한 후, 그 혼합물을 그래프트 공중합체 전해질 용액에 5:1:1의 중량비로 용해시켰습니다. 캡을 연 상태에서 지속적으로 교반하며 슬러리를 80 °C로 가열하였습니다. 그다음, 적절한 혼합이 이루어지도록 슬러리를 초음파 처리하고 자력 교반하였습니다.

이제 알루미늄 박 위에 슬러리를 10 mg/cm²의 로딩량으로 닥터 블레이드 코팅하십시오. 잔류 용매와 수분을 제거하기 위해 복합 양극을 진공 오븐에서 80 °C로 하룻밤 동안 건조하십시오. 건조된 복합 양극을 아르곤이 충전된 글로브 박스로 옮겨 정밀 전극 커터로 1.4 cm² 크기의 작은 원판형으로 펀칭하십시오.

그 다음, 순수 GCE 용액을 전극 디스크 위에 드롭 캐스팅하여 전해질 층을 형성합니다. 최종 음극 전해질 디스크를 이슬점이 80 °C인 글로브 박스 내의 핫플레이트에서 가열하여 THF를 증발시킵니다. 이제 수동 밀봉 툴을 사용하여, GCE가 코팅된 동일한 크기의 금속 리튬 디스크와 함께 CR 2 0 3 2 코인 셀을 조립합니다.

성능을 비교하기 위해 동일한 인산철 리튬 분말과 리튬 금속 음극으로 구성된 두 번째 셀 세트를 조립합니다. 단, 바인더 수지는 A-P-V-D-F, 분리막은 A-P-V-D-F를 사용하며, 전해질은 EC와 DMC의 비율이 1:1인 1 M 리튬 헥사플루오로포스페이트 액체 전해질을 사용합니다. 이제 32채널 Mac 4,000 배터리 테스터를 사용하여 상온에서 사이클 테스트를 수행합니다.

리튬 기반 배터리는 납-산, 니켈, 카드뮴 및 니켈-금속 수소화물 배터리보다 에너지 밀도가 높습니다. 완전한 리튬 이온 배터리는 양극과 음극, 전해질 및 분리막으로 구성됩니다. 전해질 자체와 전극-전해질 계면 모두에서 발생하는 임피던스로 인해 전해질은 전반적인 출력 성능에 영향을 미칩니다.

이 예시에서는 두 가지 단량체인 POEM과 PDMS를 사용하여 최종 분자량이 500, 000 grams per mole인 그라프트 공중합체를 합성했습니다. 코인 셀은 리튬 인산철의 회색 입자, 탄소의 검은색 입자, 파란색 스파게티, GCE, 그리고 리튬 금속 음극을 나타낸 이 모식도와 같이 조립되었습니다. 액체와 달리, 폴리머 체인을 따라 이동하는 이온의 수송은 두 가지 활성화 에너지 장벽을 극복해야 합니다.

배위 EO 단위에 의한 이온의 용해는 온도 의존성을 가지며, 폴리머의 세그먼트 운동은 VLE Toman vulture 의존성을 갖습니다. 실온에서의 셀 사이클링 성능 데이터는 15 milliamps per gram의 기존 액체 전해질 셀과 10 milliamps pergram의 그라프트 공중합체 전해질 바인더 셀의 충·방전 프로파일을 보여줍니다. 예상대로, 고체 폴리머 셀의 방전 전압 프로파일은 서로 다른 방전 전류에서 온도 의존성을 나타냅니다.

방전 전압 프로파일은 비용량의 함수로 도식화할 수 있습니다. 온도가 높을수록 성능이 더 우수하다는 점에 유의하십시오. 서로 다른 출력 밀도에서의 에너지 밀도는 폴리머 및 액체 전해질 배터리에 대한 라곤 플롯(Ragone plot)으로 나타낼 수 있습니다.

본 절차를 따르면 고체 고분자 배터리가 고온에서 안전하게 작동함을 확인할 수 있습니다. 양극의 기공률이나 입자 크기가 전체 배터리 가변성에 미치는 영향과 같은 추가적인 질문에 답하기 위해 카운터링 및 입자 크기 분석과 같은 다른 방법들을 사용할 수 있습니다.