Name: Elektrolity z kopolimeru kopolimeru w stanie stałym do zastosowań w bateriach litowych (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-08-12T12:00:00.000+00:00
Duration: 5 min 33 s
Description: Poznaj syntezę kopolimerów szczepionych metodą polimeryzacji rodnikowej do zastosowań w bateriach litowych. Dowiedz się, jak polimery stałe zapewniają bezpieczeństwo i stabilność w wysokich temperaturach.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Autorzy chcieliby podziękować Weatherford International za wsparcie finansowe.

1. Synteza kopolimeru przeszczepu18-19
<ol>
 <li>Zsyntetyzować kopolimery przeszczepu (POEM-g-PDMS i POEA-g-PDMS w stosunku wagowym 70:30) przy użyciu metody polimeryzacji wolnorodnikowej, mieszając 26 ml monomerów POEM (lub POEA) (ryc. 3), 12 ml makromonomerów PDMS i 12 mg 2,2'-Azobis(2-metylopropionitrylu) (AIBN) (monomer:inicjator [825:1]) w 160 ml EA.</li>
 <li>Uszczelnić kolbę zawierającą klarowny roztwór gumową przegrodą i przepłukać argonem o bardzo wysokiej czystości przez 45 minut.</li>
 <li>Podgrzać roztwór do temperatury 72 °C (AIBN ma szybkość rozkładu 3,2 x 10-5 sek-1) w łaźni olejowej pod ciągłym mieszaniem przez 24 godziny.</li>
 <li>Początkowo klarowny roztwór zazwyczaj stawał się widocznie mleczny w ciągu 2 godzin. Wytrącić końcowy roztwór w niemieszającym się rozpuszczalniku, PE. Suszyć polimer w temperaturze 80 °C w próżni poniżej 5 mTorr przez 5 dni, aby usunąć resztki wilgoci.</li>
 <li>Stwierdzono, że jeśli polimer nie zostanie odpowiednio wysuszony, nadmierna wilgoć doprowadzi do powstania pęknięć, gdy polimer zostanie odlany w cienkie warstwy.</li>
 <li>Końcowy kopolimer przeszczepu (pokazany na rysunku 4) miał masę cząsteczkową 500 000 g/mol przy użyciu chromatografii żelowej z wzorcem kalibracyjnym polistyrenu.</li>
 <li>Kompleks kopolimeru przeszczepu z LiTFSI w stosunku Li:EO 1:20 (1 g POEM-g-PDMS (70:30) ze 170 mg LiTFSI) w zwykłym rozpuszczalniku THF w celu wytworzenia elektrolitu.</li>
</ol>
2. Przygotowanie katody kompozytowej
<ol>
 <li>Zsyntetyzuj katodę, mieszając mielone kulowo proszki LiFePO4 (Linyi Gelon New Battery Materials) i sadzę (Super P) oraz rozpuszczając mieszaninę w roztworze GCE w stosunku wagowym 5:1:1.</li>
 <li>Podgrzać gnojowicę do temperatury 80 °C (z otwartym korkiem) podczas mieszania. Następnie należy poddać sonikę zawiesinie poprzez mieszanie magnetyczne, aby zapewnić prawidłowe wymieszanie. Rakla na folii aluminiowej o współczynniku obciążenia 10 mg/cm2 na folii aluminiowej, aby zapewnić lepszą laminację aluminium.</li>
 <li>Wysuszyć katodę kompozytową w piecu próżniowym w temperaturze 80 °C O/N, aby usunąć resztki THF i wilgoci.</li>
</ol>
3. Przygotowanie i testowanie ogniw monetowych
<ol>
 <li>Kompozytową katodę przetransportować do komory rękawicowej wypełnionej argonem i przebić w małe krążki (powierzchnia = 1,4cm2) za pomocą precyzyjnego obcinaka do elektrod EL-CUT (EL-CELL). Rzuć czysty roztwór GCE (POEM-g-PDMS, LiTFSI, oba rozpuszczone w THF) na krążki elektrod, aby utworzyć warstwę elektrolitu.</li>
 <li>Podgrzej końcowe krążki elektrolitu katodowego na płycie grzejnej wewnątrz komory rękawicowej o punkcie rosy -80 °C, aby odparować THF, i zmontuj w ogniwa pastylkowe CR2032 wraz z metalicznymi krążkami litowymi pokrytymi GCE (Sigma-Aldrich, grubość 0,75 mm) za pomocą ręcznego narzędzia do zamykania (Hohsen). Schemat ogniwa pokazano na rysunku 5, gdzie szare cząstki reprezentują LiFePO4, czarne cząstki reprezentują węgiel, niebieskie "spaghetti" reprezentują GCE, a anoda to lit metaliczny.</li>
 <li>Zmontuj drugi zestaw ogniw składający się z tych samych proszków LiFePO4 i anody litowo-metalowej, ale zamiast tego użyj żywicy wiążącej PVDF (Kynar), separatora PVDF (Celgard) i ciekłego elektrolitu 1 M LiPF6 w EC: DMC w stosunku 1:1 (LP30, Merck), aby porównać wydajność.</li>
 <li>Cały montaż został wykonany w komorze rękawicowej o punkcie rosy -80 °C. Do testów cyklicznych w temperaturze otoczenia użyto 32-kanałowego testera akumulatorów MACCOR 4000.</li>
</ol>
4. Mechanizm przewodnictwa polimerów
<ol>
 <li>Ruchy segmentowe PEO są zwykle związane ze skręcaniem wokół wiązań C-C i C-O. Półlosowy ruch segmentowy wspomaga przewodnictwo jonów poprzez tworzenie i rozbijanie miejsc koordynacji dla solwatowanych jonów oraz zapewnianie wolnej objętości jonom do dyfuzji pod wpływem pola elektrycznego. Początek ruchu odcinkowego następuje w pobliżu temperatury zeszklenia, Tg, i staje się łatwiejszy wraz ze wzrostem temperatury dalej poza Tg. W wyższych temperaturach w wyniku rozszerzania polimeru powstają lokalne puste przestrzenie, co pozwala segmentom polimeru przemieszczać się do wolnej objętości 19.</li>
 <li>Ponieważ ruch segmentowy jest znacznie szybszy w fazie amorficznej powyżej Tg niż w fazie krystalicznej, transport jonów w polimerze zachodzi głównie w fazie amorficznej. Jednak ostatnio wykazano przewodnictwo Li+ w krystalicznej (PEO)6:LiAsF6, chociaż przewodność jest o ponad dwa rzędy wielkości niższa niż w amorficznym PEO. Faza krystaliczna lub amorficzna kompleksu PEO/sól zależy od składu, temperatury i metody przygotowania 20-22.</li>
 <li>W przeciwieństwie do cieczy, gdzie jony poruszają się z nienaruszoną osłoną rozpuszczalnika, a transport jest związany z makroskopową lepkością rozpuszczalnika; w polimerze stałym, gdzie łańcuchy polimerowe są coraz bardziej splątane i nie mogą przemieszczać się na duże odległości, transport jonów jest związany z mikroskopijną lepkością segmentów łańcuchów polimerowych. Transport jonów wzdłuż łańcuchów polimerowych musi pokonać dwie bariery aktywacji, obie pokazano na rysunkach 6 i 7. Jednym z nich jest solwatacja jonów przez koordynujące jednostki EO. Proces ten polega na tworzeniu i zrywaniu wiązań chemicznych, jest zależny od Arrheniusa, a przewodność jest określona wzorem 
 σA(Ea/kT) 
 gdzie σ jest przewodnością, A jest stałą, a Ea jest energią aktywacji związaną z wiązaniami. Ponieważ jony muszą oddzielić się od miejsc koordynacji, aby poruszać się w stałym polimerze, jeśli wiązania są zbyt silne, kationy stają się nieruchome. Wiązania kation-polimer muszą być wystarczająco silne, aby rozpuścić sól, ale wystarczająco słabe, aby umożliwić ruchliwość kationów.</li>
 <li>Transport jonów odbywa się z jednego miejsca koordynacyjnego do drugiego. Proces ten jest związany z ruchem segmentowym polimeru, ma zależność Vogela-Tammanna-Fulchera (VTF) 22-25, a przewodność to miejsce, w którym T0 jest temperaturą odniesienia zwykle wybieraną na 50 K poniżej TG. Równanie to sugeruje, że ruch termiczny powyżej T0 przyczynia się do procesu transportu, a szybszy ruch jest oczekiwany w przypadku polimeru o niskiej Tg. Proces VTF jest związany z Tg, ograniczając w ten sposób szybkość w niskich temperaturach. W wysokich temperaturach ruch segmentowy staje się na tyle łatwy, że proces Arrheniusa staje się ograniczający szybkość.</li>
</ol>

<ol><li>Tarascon, J. M., Armand, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Issues+and+challenges+facing+rechargeable+lithium+batteries%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries.</a> Nature. 414 (6861), 359-367 (2001).</li>
<li>Scrosati, B., Hassoun, J., Sun, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Lithium-ion+batteries.+A+look+into+the+future%5BTitle%5D)+AND+%22Energy+Environ.+Sci%22%5BJournal%5D)">Lithium-ion batteries. A look into the future.</a> Energy Environ. Sci. 4 (9), 3287-3295 (2011).</li>
<li>Goodenough, J. B., Kim, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Challenges+for+rechargeable+batteries%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Power+Sources%22%5BJournal%5D)">Challenges for rechargeable batteries.</a> J. Power Sources. 196 (16), 6688-6694 (2011).</li>
<li>Wang, Y., He, P., Zhou, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Olivine+LiFePO4%3A+development+and+future%5BTitle%5D)+AND+%22Energy+Environ.+Sci%22%5BJournal%5D)">Olivine LiFePO4: development and future.</a> Energy Environ. Sci. 4 (3), 805-817 (2011).</li>
<li>Bruce, P. G., Scrosati, B., Tarason, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanomaterials+for+rechargeable+lithium+batteries%5BTitle%5D)+AND+%22Angew.+Chem%22%5BJournal%5D)">Nanomaterials for rechargeable lithium batteries.</a> Angew. Chem. 47 (16), 2930-2946 (2008).</li>
<li>Choi, N., Yao, Y., Cui, Y., Cho, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((One+dimensional+Si%2FSn+-+based+nanowires+and+nanotubes+for+lithium-ion+energy+storage+materials%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Mater.+Chem%22%5BJournal%5D)">One dimensional Si/Sn - based nanowires and nanotubes for lithium-ion energy storage materials.</a> J. Mater. Chem. 21 (27), 9825-9840 (2011).</li>
<li>Jeong, G., Kim, Y. U., Kim, H., Kim, Y. J., Sohn, H. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Prospective+materials+and+applications+for+Li+secondary+batteries%5BTitle%5D)+AND+%22Energy+Environ.+Sci%22%5BJournal%5D)">Prospective materials and applications for Li secondary batteries.</a> Energy Environ. Sci. 4 (6), 1986-2002 (2011).</li>
<li>Walker, C. W., Salomon, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Improvement+of+ionic+conductivity+in+plasticized+PEO-Based+solid+polymer+electrolytes%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Electrochem.+Soc%22%5BJournal%5D)">Improvement of ionic conductivity in plasticized PEO-Based solid polymer electrolytes.</a> J. Electrochem. Soc. 140 (12), 3409-3412 (1993).</li>
<li>Daniels, C., Besenhard, J. O. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aDaniels%2C+C+%22Handbook+of+battery+materials%22">Handbook of battery materials</a>. , Wiley-VCH GmbH & Co. Weinheim. (2011).</li>
<li>Bard, A. J., Faulkner, L. R. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aBard%2C+AJ+%22Electrochemical+methods%3A+fundamentals+and+applications%22">Electrochemical methods: fundamentals and applications</a>. , 2nd, John Wiley and sons. New York. 864(2001).</li>
<li>Newman, J., Thomas-Alyea, K. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aNewman%2C+J+%22Electrochemical+systems%22">Electrochemical systems</a>. , Wiley-Interscience. Hoboken. 672(2004).</li>
<li>Zu, C., Li, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thermodynamic+analysis+on+energy+densities+of+batteries%5BTitle%5D)+AND+%22Energy+Environ.+Sci%22%5BJournal%5D)">Thermodynamic analysis on energy densities of batteries.</a> Energy Environ. Sci. 4 (8), 2614-2624 (2011).</li>
<li>Balbuena, P., Wang, Y. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aBalbuena%2C+P+%22Lithium-ion+Batteries%3A+solid-electrolyte+interphase%22">Lithium-ion Batteries: solid-electrolyte interphase</a>. , Imperial College Press. London. (2004).</li>
<li>Appetecchi, G. B., Scaccia, S., Passerini, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Investigation+on+the+Stability+of+the+Lithium-Polymer+Electrolyte+Interface%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Electrochem.+Soc%22%5BJournal%5D)">Investigation on the Stability of the Lithium-Polymer Electrolyte Interface.</a> J. Electrochem. Soc. 147 (12), 4448-4452 (2000).</li>
<li>Bruce, P. G., Krok, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Characterisation+of+the+electrode%2Felectrolyte+interfaces+in+cells+of+the+type+Li%2FPEO+LiCF3SO3%2FV6O13+by+ac+impedance+methods%5BTitle%5D)+AND+%22Solid+State+Ionics%22%5BJournal%5D)">Characterisation of the electrode/electrolyte interfaces in cells of the type Li/PEO LiCF3SO3/V6O13 by ac impedance methods.</a> Solid State Ionics. 36 (3-4), 171-174 (1989).</li>
<li>Huggins, R. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aHuggins%2C+R+%22Energy+Storage%22">Energy Storage</a>. , Springer. New York. 400(2010).</li>
<li>Lee, S., Schömer, M., Peng, H., Page, K. A., Wilms, D., Frey, H., Soles, C. L., Yoon, D. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Correlations+between+ion+conductivity+and+polymer+dynamics+in+hyperbranched+poly%28ethylene+oxide%29+llectrolytes+for+lithium-ion+batteries%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Mater%22%5BJournal%5D)">Correlations between ion conductivity and polymer dynamics in hyperbranched poly(ethylene oxide) llectrolytes for lithium-ion batteries.</a> Chem. Mater. 23 (11), 2685-2688 (2011).</li>
<li>Trapa, P. E., Reyes, A. B., Das Gupta, R. S., Mayes, A. M., Sadoway, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Polarization+in+cells+containing+single-ion+graft+copolymer+electrolytes%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Electrochem.+Soc%22%5BJournal%5D)">Polarization in cells containing single-ion graft copolymer electrolytes.</a> J. Electrochem. Soc. 153 (6), 1098-1101 (2006).</li>
<li>Trapa, P. E., Won, Y. Y., Mui, S. C., Olivetti, E. A., Huang, B., Sadoway, D. R., Mayes, A. M., Dallek, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rubbery+graft+copolymer+electrolytes+for+solid-state+thin-film+lithium+batteries%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Electrochem.+Soc%22%5BJournal%5D)">Rubbery graft copolymer electrolytes for solid-state thin-film lithium batteries.</a> J. Electrochem. Soc. 152 (1), A1-A5 (2005).</li>
<li>Walker, C. W., Salomon, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Improvement+of+ionic+conductivity+in+plasticized+peo-based+solid+polymer+electrolytes%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Electrochem.+Soc%22%5BJournal%5D)">Improvement of ionic conductivity in plasticized peo-based solid polymer electrolytes.</a> J. Electrochem. Soc. 140 (12), 3409-3412 (1993).</li>
<li>Bard, A. J., Faulkner, L. R. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aBard%2C+AJ+%22Electrochemical+methods%3A+fundamentals+and+applications%22">Electrochemical methods: fundamentals and applications</a>. , 2nd, John Wiley and sons. New York. 864(2001).</li>
<li>Michnick, R. B., Rhoads, K. G., Sadoway, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Relative+dielectric+constant+measurements+in+the+butyronitrile-chloroethane+system+at+subambient+temperatures%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Electrochem.+Soc%22%5BJournal%5D)">Relative dielectric constant measurements in the butyronitrile-chloroethane system at subambient temperatures.</a> J. Electrochem. Soc. 144 (7), 2392-2398 (1997).</li>
<li>Orazem, M. E., Tribollet, B. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aOrazem%2C+ME+%22Electrochemical+impedance+spectroscopy%22">Electrochemical impedance spectroscopy</a>. , John Wiley & Sons. Hoboken. (2008).</li>
<li>Cogger, N. D., Evans, N. J. An introduction to electrochemical impedance measurement. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aCogger%2C+ND+%22Technical+Note%2C+Solartron+Analytical+Technical+Report%22">Technical Note, Solartron Analytical Technical Report</a>. No. 6, Available for download at: <a target="_blank" href="http://www.solartronanalytical.com/Literature/Technical-Notes.aspx">http://www.solartronanalytical.com/Literature/Technical-Notes.aspx</a> (1999).</li>
<li>Marzantowiz, M., Dygas, J. R., Krok, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Impedance+of+interface+between+PEO%3ALiTFSI+polymer+electrolyte+and+blocking+electrodes%5BTitle%5D)+AND+%22Electrochim.+Acta%22%5BJournal%5D)">Impedance of interface between PEO:LiTFSI polymer electrolyte and blocking electrodes.</a> Electrochim. Acta. 53 (25), 7417-7425 (2008).</li>
<li>Clarson, S. J., Semlyen, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Studies+of+cyclic+and+linear+poly%28dimethyl-siloxanes%29%3A+21.+high+temperature+thermal+behavior%5BTitle%5D)+AND+%22Polymer%22%5BJournal%5D)">Studies of cyclic and linear poly(dimethyl-siloxanes): 21. high temperature thermal behavior.</a> Polymer. 27 (1), 91-95 (1986).</li>
</ol>

Nie stwierdzono konfliktu interesów.

Krzywe LiFePO4/GCE/Li wykazują większy nadpotencjał niż krzywe LiFePO4/LP30/Li zarówno na ładowaniu, jak i rozładowywaniu. Ponieważ GCE jest używany zarówno jako elektrolit, jak i spoiwo, przewodnictwo jonowe jest zapewnione dla wszystkich cząstek katody, a prawie cała praktyczna pojemność właściwa (150 mAh/g) była dostępna. Teoretyczna pojemność właściwa 170 mAh/g nie jest osiągana, ponieważ jest ograniczona dyfuzją litu w cząstkach LiFePO4, która jest niska w temperaturach pokojowych. Z...

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.
<obramowanie tabeli="1">
 <tbody>
 <tr>
 <td>nazwa</td>
 <td>Temperatura topnienia (°C)</td>
 <td>Temperatura wrzenia (°C)</td>
 <td>Lepkość (mPa*s)</td>
 </tr>
 <tr>
 <td>Węglan dimetylu (DMC)</td>
 <td>Rozdział 4.6</td>
 <td>90</td> Rozdział
 <td>0.5902 (25 °C)</td>
 </tr>
 <tr>
 <td>Węglan dietylu (DEC)</td>
 <td>-43 jedyniec</td>
 <td>126,8</td> pkt.
 <td>0.7529 (25 °C)</td>
 </tr>
 <tr>
 <td>Węglan etylenu (EC)</td>
 <td>36,5</td> pkt.
 <td>238</td> SZT.
 <td>1.9 (40 °C)</td>
 </tr>
 <tr>
 <td>Węglan propylenu (PC)</td>
 <td>-54,53</td> pkt.
 <td>242</td> TGL
 <td>2.512 (25 °C)</td>
 </tr>
 </tbody>
</table>
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.

<table><tbody><tr><td>POEM</td><td>Sigma Aldrich</td><td>26915-72-0</td><td>&nbsp;</td></tr><tr><td>POEA</td><td>Sigma Aldrich</td><td>32171-39-4</td><td>&nbsp;</td></tr><tr><td>LiTFSI</td><td>Sigma Aldrich</td><td>90076-65-6</td><td>&nbsp;</td></tr><tr><td>AIBN</td><td>Sigma Aldrich</td><td>78-67-1</td><td>&nbsp;</td></tr><tr><td>EA</td><td>Sigma Aldrich</td><td>141-78-6</td><td>&nbsp;</td></tr><tr><td>THF</td><td>Sigma Aldrich</td><td>109-99-9</td><td>&nbsp;</td></tr><tr><td>PDMS</td><td>Gelest</td><td>146632-07-7</td><td>&nbsp;</td></tr><tr><td>Argon Gaz</td><td>Powietrze Gaz</td><td></td><td>Ultra wysoka czystość (klasa 5)</td></tr> <tr><td>PE</td><td>Sigma Aldrich</td><td>8032-32-4</td><td>&nbsp;</td></tr><tr><td>LiFePO4</td><td>Gelon</td><td></td><td>&nbsp;</td></tr><tr><td>Sadza</td><td>SuperP</td><td></td><td>Super</td></tr><tr><td>P Lit metaliczny</td><td>Alfa Aesar</td><td>7439-93-2</td><td>&nbsp;</td></tr><tr><td>Żywica wiążąca PVDF</td><td>Kynar</td><td></td><td>Kynar</td></tr><tr><td>Separator PVDF</td><td>Celgard</td><td></td><td>&nbsp;</td></tr><tr><td>LP30</td><td>Merck</td><td></td><td>LiPF6 w EC:Tester akumulatorów DMC</td></tr><tr><td>MACCOR</td><td>MACCOR</td><td></td><td>&nbsp;</td></tr><tr><td>El-Cut</td><td>EL-CELL</td><td></td><td>&nbsp;</td></tr></tbody></table>

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

Solid-state Graft Copolymer Electrolytes for Lithium Battery Applications

Bezpieczeństwo baterii było bardzo ważnym obszarem badań w ciągu ostatniej dekady. Dostępne na rynku akumulatory litowo-jonowe wykorzystują nisko palne (<80 °C), łatwopalne i lotne elektrolity organiczne. Te organiczne systemy elektrolitowe są skuteczne w temperaturach otoczenia, ale wymagają systemu chłodzenia, aby zapewnić, że temperatura nie przekroczy 80 °C. Te systemy chłodzenia mają tendencję do zwiększania kosztów baterii i mogą działać nieprawidłowo, co może prowadzić do nieprawidłowego działania akumulatora i wybuchów, zagrażając w ten sposób życiu ludzkiemu. Wzrost cen ropy naftowej prowadzi do ogromnego popytu na bezpieczne, elektryczne pojazdy hybrydowe, których eksploatacja jest bardziej opłacalna w miarę dalszego wzrostu cen ropy. Istniejące elektrolity na bazie organicznej stosowane w akumulatorach litowo-jonowych nie mają zastosowania w wysokotemperaturowych zastosowaniach motoryzacyjnych. Bezpieczniejszą alternatywą dla elektrolitów organicznych są stałe elektrolity polimerowe. Praca ta skupi się na syntezie elektrolitu kopolimeru (GCE) poli(oksyetylenu) metakrylanu (POEM) do bloku o niższej temperaturze zeszklenia (Tg) poli(oksyetylenu) akrylanu (POEA). Omówiono mechanizm przewodnictwa i wykazano, że związek między ruchem segmentów polimeru a przewodnictwem jonowym rzeczywiście ma zależność Vogela-Tammanna-Fulchera (VTF). Baterie zawierające dostępny w handlu organiczny LP30 (LiPF6 w węglanie etylenu (EC):d węglan metylu (DMC) w stosunku 1:1) i GCE były poddawane cyklom w temperaturze otoczenia. Stwierdzono, że w temperaturze otoczenia akumulatory zawierające GCE wykazywały większy nadpotencjał w porównaniu z elektrolitem LP30. Jednak w temperaturach wyższych niż 60 °C ogniwo GCE wykazywało znacznie niższy nadpotencjał ze względu na szybkie przewodnictwo elektrolitu polimerowego i uzyskano prawie pełną teoretyczną pojemność właściwą 170 mAh/g.

Wydajność cykliczna ogniw w temperaturze pokojowej przedstawiono na Rysunku 8. Lewy wykres obrazuje profile ładowania i rozładowania ogniw z konwencjonalnym elektrolitem ciekłym (LP30) przy 15 mA/g oraz GCE/lepiszcze przy 10 mA/g. Rysunek 9 przedstawia profile napięcia rozładowania ogniw z polimerem stałym w temperaturze pokojowej, 60 °C oraz 120 °C przy niskim prądzie 0,05 C. Profile napięcia rozładowania jako funkcje pojemności właściwej przedstawiono na Rysunku 10, gd...

Baterie litowo-jonowe wykorzystują łatwopalne i lotne elektrolity organiczne, które są odpowiednie do zastosowań w temperaturze otoczenia. Bezpieczniejszą alternatywą dla elektrolitów organicznych są akumulatory polimerowe ze stali kości. Akumulatory polimerowe działają bezpiecznie w wysokich temperaturach (>120 °C), dzięki czemu można je stosować w zastosowaniach wysokotemperaturowych, takich jak głębokie wiercenia ropy naftowej i hybrydowe pojazdy elektryczne. W tym artykule omówiono (a) syntezę polimerów, (b) mechanizm przewodzenia polimerów oraz (c) zapewnione cykle temperaturowe zarówno dla polimerów stałych, jak i elektrolitów organicznych.

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

Battery safety has been a very important research area over the past decade. Commercially available lithium ion batteries employ low flash point (&lt;80 ...

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.

solid-state-graft-copolymer-electrolytes-for-lithium-battery

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Elektrolity kopotymerów przeszczepowych w stanie stałym do zastosowań w bateriach litowych

Opisano protokół konstrukcji i testowania ogniw guzikowych baterii litowo-jonowych. Przedstawiono szczegółowe procedury wykonania elektrody roboczej, przygotowania elektrody przeciwnej, montażu ogniwa wewnątrz komory rękawicowej oraz testowania ogniwa.

Konstrukcja i testowanie ogniw guzikowych baterii litowo-jonowych

Opisujemy użycie technik synchrotronowej spektroskopii absorpcyjnej promieniowania rentgenowskiego (XAS) i dyfrakcji rentgenowskiej (XRD) do badania szczegółów procesów interkalacji/deinterkalacji w materiałach elektrodowych dla akumulatorów litowo-jonowych i na-jonowych. Zarówno eksperymenty in situ, jak i ex situ są wykorzystywane do zrozumienia zachowań strukturalnych istotnych dla działania...

Charakterystyka materiałów elektrodowych do akumulatorów litowo-jonowych i sodowo-jonowych z wykorzystaniem technik promieniowania synchrotronowego

Opisujemy projekt i budowę ogniwa elektrochemicznego do badania materiałów elektrodowych za pomocą dyfrakcji proszków neutronów in situ (NPD). Pokrótce omówimy alternatywne projekty komórek NPD in situ i omówimy metody analizy odpowiadających im danych NPD in situ uzyskanych przy użyciu tej komórki.

In Situ Dyfrakcja proszku neutronowego przy użyciu niestandardowych akumulatorów litowo-jonowych

Niewodne przetwarzanie elektrod jest kluczowe dla budowy ogniw pastylkowych i oceny nowych chemii elektrod dla akumulatorów litowo-jonowych. Dostępny jest przewodnik krok po kroku po podstawowych praktykach potrzebnych inżynierowi elektrochemikowi pracującemu z bateriami w akademickich warunkach eksperymentalnych.

Niewodne przetwarzanie elektrod i budowa litowo-jonowych ogniw pastylkowych

Tutaj opisujemy protokoły przygotowania elektrolitów z soli jonowej bis(trifluorometanu)sulfonimidu litu na bazie fosfonu i soli bis(trifluorometanu)sulfonimidu, oraz montażu niepalnej i działającej w wysokiej temperaturze baterii litowo-jonowej.

Synteza elektrolitów na bazie cieczy jonowych, montaż akumulatorów litowo-jonowych i pomiary wydajności w wysokiej temperaturze

Przedstawiono protokół wytwarzania elektrochemicznie aktywnych nanobaterii litowo-jonowych litowo-jonowych na bazie litów litowo-jonowych opartych na elektrochemicznie aktywnych LiPON przy użyciu skupionej wiązki jonów.

Produkcja skupionej wiązki jonów półprzewodnikowych nanobaterii litowo-jonowych na bazie LiPON do testów in situ

Tutaj prezentujemy protokół dla typowych eksperymentów miękkiej spektroskopii absorpcyjnej promieniowania rentgenowskiego (sXAS) i rezonansowego nieelastycznego rozpraszania promieniowania rentgenowskiego (RIXS) z zastosowaniem w badaniach materiałów akumulatorowych.

Wrażliwe na pierwiastki wykrywanie chemii w bateriach za pomocą miękkiej spektroskopii absorpcyjnej promieniowania rentgenowskiego i rezonansowego nieelastycznego rozpraszania promieniowania rentgenowskiego

Ogniwa trzyelektrodowe są przydatne w badaniu elektrochemii akumulatorów litowo-jonowych. Taki układ elektrochemiczny pozwala na odsprzęgnięcie i niezależne badanie zjawisk związanych z katodą i anodą. W tym miejscu przedstawiamy przewodnik dotyczący budowy i użytkowania trzyelektrodowego ogniwa pastylkowego z naciskiem na analitykę litowania.

Przygotowanie trzyelektrodowych ogniw pastylkowych i analiza elektroosadzania akumulatorów litowo-jonowych

Tutaj prezentujemy protokół produkcji i przygotowania płynnego ogniwa grafenowego do obserwacji w mikroskopii elektronowej in situ, wraz z syntezą materiałów elektrodowych i testami elektrochemicznych ogniw akumulatorowych.

Przygotowanie ogniw ciekłych grafenu do obserwacji materiału baterii litowo-jonowych

Wykorzystując zmianę objętości nanocząstek Si podczas (de)litacji, obecny protokół opisuje metodę przesiewową potencjalnych powłok dla baterii półprzewodnikowych za pomocą transmisyjnej mikroskopii elektronowej in situ.

Przesiewanie powłok dla baterii półprzewodnikowej przy użyciu transmisyjnej mikroskopii elektronowej in situ

Poznaj syntezę kopolimerów szczepionych metodą polimeryzacji rodnikowej do zastosowań w bateriach litowych. Dowiedz się, jak polimery stałe zapewniają bezpieczeństwo i stabilność w wysokich temperaturach.

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

Przeglądaj więcej filmów