Elektrolity z kopolimeru kopolimeru w stanie stałym do zastosowań w bateriach litowych

Ogólnym celem niniejszej procedury jest zbudowanie stałych polimerowych baterii litowych. W pierwszej kolejności należy zastosować metodę polimeryzacji rodnikowej w celu syntezy polimeru szczepionego, a następnie pokryć katodę proszkami litu. Następnie należy pokryć zarówno katodę, jak i litowy anod metaliczny stałym polimerem.

Teraz zmontuj katodę i anodę w pełną ogniwo. Test przewodnictwa jest wykorzystywany, aby wykazać, że polimer stały może pełnić funkcję elektrolitu. Pomysł na tę metodę pojawił się początkowo z potrzeby poprawy zwilżalności między cząsteczkami katody a elektrolitem polimerowym.

Osiągnięto to, wykorzystując polimer również jako spoiwo katody do syntezy mieszaniny katodowej. Proszki fosforanu litu i żelaza zmielono w młynku kulowym z sadzą techniczną, a następnie rozpuszczono mieszaninę w roztworze elektrolitu z kopolimeru szczepionego w stosunku masowym 5:1:1. Suspensję podgrzano do 80 °C z otwartym nakryciem przy ciągłym mieszaniu. Następnie poddano zawiesinę sonikacji i mieszaniu magnetycznemu, aby zapewnić prawidłowe wymieszanie składników.

Następnie nałóż zawiesinę na folię aluminiową za pomocą rakla, stosując gęstość nałożenia 10 mg/cm². Susz kompozytową katodę w piecu próżniowym w temperaturze 80 °C przez noc, aby usunąć pozostałości rozpuszczalnika i wilgoć. Przenieś kompozytową katodę do rękawicy laboratoryjnej wypełnionej argonem i za pomocą precyzyjnej wycinarki do elektrod wytnij małe dyski o powierzchni 1,4 cm².

Następnie nanieś roztwór czystego GCE metodą drop castingu na dyski elektrod w celu utworzenia warstwy elektrolitu. Podgrzej gotowe dyski elektrolitu katody na płycie grzejnej wewnątrz glove boxa o punkcie rosy 80 °C, aby odparować THF. Teraz, używając ręcznego narzędzia do zamykania, złóż ogniwa guzikowe CR 2 0 3 2 wraz z metalowymi dyskami litu o tej samej wielkości, powleczonymi GCE.

Aby porównać wydajność, należy zmontować drugi zestaw ogniw składający się z tych samych proszków fosforanu litowo-żelazowego oraz anody z litu metalicznego. Należy jednak zastosować żywicę spajającą A-P-V-D-F, separator A-P-V-D-F oraz ciekły elektrolit składający się z 1 M heksafluorofosforanu litu w stosunku EC do DMC wynoszącym 1. Następnie przeprowadza się testy cykliczności w temperaturze otoczenia, korzystając z 32-kanałowego testera baterii Mac 4,000.

Baterie litowe charakteryzują się wyższą gęstością energii niż baterie ołowiowe, niklowe, kadmowe oraz niklowo-metalowo-wodorkowe. Kompletna bateria litowo-jonowa składa się z katody i anody, elektrolitu oraz separatora. Elektrolit wpływa na całkowitą wydajność mocy ze względu na impedancję, zarówno w samym elektrolicie, jak i na granicach faz elektroda-elektrolit.

W tym przykładzie dwa monomery, POEM i PDMS, zostały użyte do syntezy kopolimeru szczepionego o końcowej masie cząsteczkowej 500 000 g/mol. Ogniwo guzikowe zostało zmontowane zgodnie z przedstawionym schematem, który pokazuje szare cząstki fosforanu litowo-żelazowego, czarne cząstki węgla, niebieskie struktury przypominające spaghetti, GCE oraz anodę z metalicznego litu. W przeciwieństwie do stanu ciekłego, transport jonów wzdłuż łańcuchów polimerowych musi pokonać dwie bariery aktywacji.

Solwatacja jonów przez koordynujące jednostki EO wykazuje silną zależność od temperatury, a ruch segmentowy polimeru wykazuje zależność typu VLE Toman vulture. Dane dotyczące wydajności cykli ogniw w temperaturze pokojowej przedstawiają profile ładowania i rozładowania ogniw z konwencjonalnym elektrolitem ciekłym przy 15 mA/g oraz z binderem z elektrolitu z kopolimeru szczepionego przy 10 mA/g. Zgodnie z oczekiwaniami, profile napięcia rozładowania stałych ogniw polimerowych są zależne od temperatury przy różnych prądach rozładowania.

Profile napięcia rozładowania można przedstawić jako funkcje pojemności właściwej. Należy zauważyć, że w wyższych temperaturach wydajność jest lepsza. Gęstości energii przy różnych gęstościach mocy dla baterii z elektrolitem polimerowym i ciekłym można zaprezentować na wykresie Ragone.

Należy zauważyć, że przy zastosowaniu tej procedury stałe baterie polimerowe pracują bezpiecznie w wysokich temperaturach. Do udzielenia odpowiedzi na dodatkowe pytania, takie jak porowatość katod oraz wpływ wielkości cząstek na ogólną zmienność baterii, można wykorzystać inne metody, np. zliczanie oraz analizę wielkości cząstek.