$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Lit (Li) jest wysoce elektrododatnim metalem (-3,04 V w stosunku do standardowej elektrody wodorowej) i najlżejszym metalem (równoważnik masy 6,94 g/mol i ciężar właściwy 0,53 g/cm3). To sprawia, że jest atrakcyjny jako wybór dla materiału aktywnego w elektrodzie ujemnej i idealny do przenośnych urządzeń do magazynowania energii, w których rozmiar i waga mają znaczenie. Rysunek 1 pokazuje, że akumulatory litowo-jonowe (litowo-jonowe, PLiON i litowo-metalowe) mają wyższą gęstość energii niż akumulatory kwasowo-ołowiowe, niklowo-kadmowe i niklowo-metalowo-wodorkowe 1.
Pełna bateria litowo-jonowa składa się z katody (dodatniej), anody (ujemnej), elektrolitu i separatora (Rysunek 2). Zarówno katoda, jak i anoda są związkami interkalacyjnymi, w których jony litu mogą interkalować lub deinterkalować odwracalnie (jeśli anoda jest węglem, Li interkaluje się jako neutralny Li). Elektrolit zapewnia przewodnictwo jonowe i izoluje przewodnictwo elektronowe między elektrodami. Separator jest przepuszczalny dla jonów, ale mechanicznie sztywny, aby zapobiec zwarciu dwóch elektrod. Gdy ogniwo jest w stanie pełnego naładowania, wszystkie Li uległy interkalacji w anodzie, a gdy ogniwo jest w stanie pełnego rozładowania, wszystkie jony litowo-jonowe są interkalowane w katodzie. Podczas spontanicznej reakcji wyładowujące się elektrony przepływają z anody do katody przez zewnętrzny obwód zasilający urządzenie, podczas gdy jony przepływają z anody do katody przez elektrolit. Jony i elektrony rekombinują na katodzie, aby utrzymać neutralność ładunku. Po naładowaniu przepływ jest odwrócony.
Większość dotychczasowych prac nad bateriami litowo-jonowymi skupiała się na materiałach katodowych, ponieważ to one decydują o gęstości energii baterii, a nie o elektrolicie, który pozostał niezmieniony przez dziesięciolecia. Elektrolit jest kluczowym elementem akumulatora, ponieważ wpływa na ogólną moc dzięki impedancji zarówno przez sam elektrolit, jak i na granicy faz elektroda-elektrolit.
Elektrolit używany w akumulatorach litowo-jonowych zazwyczaj składa się z soli typu LiX i niewodnego rozpuszczalnika. W porównaniu z elektrolitami wodnymi stosowanymi w innych układach elektrochemicznych, wadami elektrolitów litowo-jonowych są niższa przewodność, wyższy koszt, palność i problemy środowiskowe. Zaletami są szeroki zakres temperatur (w którym elektrolit pozostaje cieczą) od -150 °C do 300 °C, szerokie okno napięciowe (do 5 V w porównaniu z Li/Li+) oraz lepsza kompatybilność z elektrodami (elektrolit wodny reaguje gwałtownie z metalem Li i tworzy LiOH i wodór) 2, 3, 4-6.
Główne niewodne elektrolity używane w bateriach to organiczne ciecze na bazie węglanów, polimery, ciecze jonowe i ceramika. Elektrolity te muszą spełniać określone kryteria, aby mogły być stosowane w praktycznych akumulatorach litowo-jonowych. Obejmują one przewodność co najmniej 10 mS/cm, duże okno elektrochemiczne (>4,5 V dla katod wysokiego napięcia), niską prężność pary, dobrą stabilność termiczną i chemiczną, niską toksyczność i niski koszt. W przypadku niektórych rygorystycznych zastosowań, takich jak pojazdy elektryczne, wszystkie te kryteria muszą być spełnione w szerokim zakresie temperatur, zwykle od -20 °C do 60 °C. Ponieważ niniejsza praca koncentruje się na elektrolitach organicznych i polimerowych, pozostała część tego artykułu skupi się na tych elektrolitach.
Elektrolity na bazie węglanów składają się z soli litu rozpuszczonej w rozpuszczalniku organicznym. Jednak trudno jest, aby którykolwiek rozpuszczalnik spełniał wszystkie wymagania. Na przykład rozpuszczalniki o niskiej prężności par, takie jak węglan etylenu (EC) i węglan propylenu (PC), mają zwykle wyższą lepkość, co prowadzi do niższej przewodności. Również EC jest ciałem stałym w temperaturze pokojowej; Wymaga to połączenia go z innym rozpuszczalnikiem. Ogólnie rzecz biorąc, elektrolit jest kombinacją kilku rozpuszczalników. Powszechnie stosowane rozpuszczalniki i niektóre z ich właściwości fizycznych wymieniono w tabeli 1.
nazwa
Temperatura topnienia (°C)
Temperatura wrzenia (°C)
Lepkość (mPa*s)
Węglan dimetylu (DMC)
Rozdział 4.6
90 Rozdział
0.5902 (25 °C)
Węglan dietylu (DEC)
-43 jedyniec
126,8 pkt.
0.7529 (25 °C)
Węglan etylenu (EC)
36,5 pkt.
238 SZT.
1.9 (40 °C)
Węglan propylenu (PC)
-54,53 pkt.
242 TGL
2.512 (25 °C)
Tabela 1. Popularne rozpuszczalniki węglanowe 7.
Bezpieczniejszym alternatywą dla elektrolitów organicznych są elektrolity na bazie polimerów. Elektrolity polimerowe są cienkowarstwowe, nielotne, niepalne, a ich elastyczność pozwala na zwijanie i drukowanie na dużą skalę handlową. Wright i wsp. po raz pierwszy zademonstrowali przewodnictwo jonowe w kompleksach poli(tlenku etylenu) i soli (PEO) w 1973 roku. Później odkryto, że problem bezpieczeństwa związany ze wzrostem dendrytów na metalu Li w ciekłym elektrolicie można rozwiązać za pomocą stałego elektrolitu polimerowego na bazie PEO, który hamował wzrost dendrytów 8-17. Istnieją trzy główne typy elektrolitów polimerowych: (1) bezrozpuszczalnikowy suchy polimer stały, (2) elektrolity żelowe oraz (3) polimer uplastyczniony, z suchą syntezą bezrozpuszczalnikową stosowaną w naszej pracy.
Ten artykuł omówi (a) bezrozpuszczalnikową syntezę suchego polimeru, (b) mechanizm przewodzenia polimeru, oraz (c) zapewni cykliczne zmiany temperatury zarówno dla polimerów stałych, jak i organicznych.