Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

אלקטרוליטים קופולימר שתל מצב מוצק עבור יישומי סוללת ליתיום

Published: August 12, 2013 doi: 10.3791/50067
Automatic Translation
1, 2, 1
1Materials Science and Engineering, Massachusetts Institute of Technology, 2Materials Processing Center, Massachusetts Institute of Technology

Summary

סוללות ליתיום יון להעסיק אלקטרוליטים אורגניים דליקים והנפיצים המתאימים ליישומי טמפרטורת הסביבה. חלופה בטוחה יותר לאלקטרוליטים אורגניים הן סוללות פולימר מוצקות. סוללות פולימר מוצקות לפעול בבטחה בטמפרטורות גבוהות (> 120 מעלות צלזיוס), ובכך הופכים אותם רלוונטיים ליישומים בטמפרטורות גבוהות כגון קידוח נפט עמוק וכלי רכב חשמליים היברידיים. מאמר זה ידון (א) את סינתזת הפולימר, (ב) מנגנון ההולכה הפולימר, ו (ג) לספק רכיבה על אופניים טמפרטורה עבור שניהם פולימר מוצק ואלקטרוליטים אורגניים.

Abstract

בטיחות סוללה כבר תחום מחקר חשוב מאוד בעשור האחרון. סוללות ליתיום יון זמינות מסחרי להעסיק נקודת הבזק נמוכה (<80 מעלות צלזיוס), דליקים, ואלקטרוליטים אורגניים נדיפות. מערכות המבוססות על אלקטרוליט האורגניים אלה הם קיימא בטמפרטורות הסביבה, אך דורשות מערכת קירור על מנת להבטיח כי הטמפרטורות לא יעלו על 80 ° C. מערכות קירור אלה נוטים להגדיל את העלויות של מצבר ויכולה תקלה שעלול לגרום לתקלה בסוללה ופיצוצים, ובכך מסכנת את חיי אדם. עליות במחירי הנפט יובילו לביקוש עצום לכלי רכב היברידיים חשמליים, כספת, כי הם יותר מבחינה כלכלית לפעול כמחירי נפט ימשיכו לעלות. אלקטרוליטים מבוססי אורגניים קיימים בשימוש בסוללות ליתיום יון אינם ישימים ליישומי רכב בטמפרטורה גבוהים. חלופה בטוחה יותר לאלקטרוליטים אורגניים היא אלקטרוליטים פולימר מוצקים. עבודה זו תדגיש את הסינתזה לאלקטרוליט קופולימר (GCE) פולי שתל (oxyethylene) methacrylate (שיר) לבלוק עם טמפרטורת מעבר נמוכה זכוכית (ט ז) פולי (oxyethylene) Acrylate (POEA). מנגנון ההולכה כבר דן וזה כבר הוכיח את הקשר שבין תנועה מגזרי פולימר ומוליכות יונית יש תלות פוגל-טמן-Fulcher (VTF) אכן. סוללות מכילות זמין מסחרי LP30 האורגני (LiPF 6 באתילן פחמה (EC): קרבונט דימתיל (DMC) ביחס 1:1) וGCE היו רכב על אופניו בטמפרטורת הסביבה. נמצא כי בטמפרטורת הסביבה, המכילות את סוללות GCE הראו פוטנציאל היתר גדול יותר בהשוואה לLP30 אלקטרוליט. עם זאת בטמפרטורות גבוהות מ -60 מעלות צלזיוס, תא GCE הציג נמוכים בהרבה פוטנציאל היתר בשל מוליכות האלקטרוליט פולימר מהירה וכמעט את היכולת הספציפית התיאורטית המלאה של 170 מיליאמפר / g הייתה לגשת.

Introduction

ליתיום (Li) הוא מתכת electropositive ביותר (-3.04 V ביחס לאלקטרודה מימן הסטנדרטית), ומתכת הקלה (במשקל שווה ערך של 6.94 גר '/ מול ומשקל סגולי של 0.53 גר' / ס"מ 3). זה הופך אותו לאטרקטיבי כבחירה לחומר הפעיל באלקטרודה והאידיאלית שליליים עבור התקני אחסון אנרגיה ניידים שבו גודל ומשקל חומר. איור 1 מראה כי סוללות מבוססות ליתיום (Li יון, PLiON, ולי מתכת) יש צפיפות אנרגיה גבוהה יותר מסוללות ניקל מטאל הידריד עופרת חומצה, ניקל קדמיום, ו1.

סוללת ליתיום מלאה מורכבת מקתודה (חיובי), האנודה (שלילי), אלקטרוליט, ומפריד (איור 2). שניהם הקתודה והאנודה הן תרכובות עיבור, שבו יונים-LI יכולים intercalate או דה intercalate הפיך (אם האנודה היא פחמן, לי לי intercalates כניטראלי). אלקטרוליט מספק מוליכות יוניים והמבודד אלקטרוההולכה NIC בין האלקטרודות. המפריד הוא חדיר ליונים, אבל מכאני נוקשה כדי לשמור על שתי אלקטרודות ממקצרות. כאשר התא נמצא במצב טעון במלואה כל לי intercalated באנודה, וכאשר התא נמצא במצב משוחרר לחלוטין את כל היונים-LI הם intercalated בקתודה. במהלך התגובה הספונטנית, פריקת זרימת אלקטרונים מן האנודה לקתודה דרך מעגל חיצוני לשלטון מכשיר, בעוד שזרימת היונים מהאנודה לקתודה דרך האלקטרוליט. היונים ולשלב מחדש אלקטרונים בקתודה לשמור על ניטרליות תשלום. לאחר הטעינה, הזרימה היא הפוכה.

פיתוח סוללת ליתיום ביותר עד כה התמקד בחומרי קתודה כי הם קובעים את צפיפות האנרגיה של הסוללה ולא באלקטרוליט, שנותר בעיקר באותו במשך עשרות שנים. אלקטרוליט הוא חתיכת מפתח של הסוללה שכן הוא משפיע על יכולת החשמל הכוללת בשל impedanלספירה הן באמצעות אלקטרוליט עצמו ואת ממשקי אלקטרודה-אלקטרוליט.

אלקטרוליט שימוש בסוללות ליתיום בדרך כלל מורכב של מלח Lix הסוג וממס בלתי מימי. בהשוואה לאלקטרוליטים מימיים המשמשים במערכות אלקטרו השני, את החסרונות של אלקטרוליטים Li-ion הם מוליכות נמוכות יותר, עלות גבוהה יותר, דליקות, ובעיות סביבתיות. יתרונות כוללים טווח רחב של טמפרטורות (אשר לאלקטרוליט נשאר נוזלי) מ-150 היית ° C ° C, חלון מתח רחב (עד 5 וולט לעומת לי / לי +), ותאימות טובה יותר עם ​​אלקטרודות (אלקטרוליט המימית עד 300 מגיב באלימות עם מתכת והצורה LiOH לי ומימן) 2, 3, 4-6.

אלקטרוליטים בלתי מימי העיקריים המשמשים בסוללות כוללים נוזלים אורגניים מבוססי קרבונט, פולימרים, נוזלים יוניים, וקרמיקה. אלקטרוליטים אלו צריכים לעמוד באמות מידה מסוימות לשימוש במעשי ליתיום batteries. הם כוללים מוליכות של לפחות 10 ס"מ / MS, חלון גדול אלקטרוכימי (> 4.5 V עבור cathodes מתח גבוה), לחץ אדים נמוכים, יציבות תרמית טובה וכימית, רעילות נמוכה, ועלות הנמוכה. עבור יישומים מסוימים מחמירות כמו כלי הרכב החשמליים, כל אמות המידה הללו חייבים להתקיים על פני טווח רחב של טמפרטורות, בדרך כלל מ -20 ° C עד 60 ° C. מאז המיקוד של עבודה זו הוא באלקטרוליטים אורגניים ופולימרים, שאר מאמר זה יתמקד באלקטרוליטים אלה.

אלקטרוליטים מבוססי קרבונט מורכב של מלח ליתיום מומס בממס אורגני. עם זאת, זה קשה לכל אחד הממס כדי לענות על כל הדרישות. לדוגמה, ממסים עם לחץ אדים נמוך, כגון אתילן פחמה (EC) ופרופילן קרבונט (PC), נוטים להיות בעלי צמיגות גבוהה יותר, מה שמוביל להורדת מוליכות. גם EC הוא מוצק בטמפרטורת חדר, זה מחייב אותו להיות בשילוב עם עוד ממס. בדרך כלל אלקטרוליטהוא שילוב של מספר ממסים. הממסים הנפוצים ביותר וכמה מהמאפיינים הפיסיים שלהם מופיעים בטבלה 1.

שם טמפרטורת התכה (מעלות צלזיוס) טמפרטורת רתיחה (מעלות צלזיוס) צמיגות (MPA * ים)
קרבונט דימתיל (DMC) 4.6 90 0.5902 (25 מעלות צלזיוס)
Diethyl קרבונט (DEC) -43 126.8 0.7529 (25 מעלות צלזיוס)
אתילן פחמה (EC) 36.5 238 1.9 (40 מעלות צלזיוס)
פרופילן קרבונט (PC) -54.53 242 2.512 (25 מעלות צלזיוס)

טבלת מס '1. ממסים קרבונט נפוצים 7.

חלופות בטוחות יותר orgaאלקטרוליטים nic מבוססים אלקטרוליטים פולימר. אלקטרוליטים הם פולימר דק סרטים, בלתי נדיפים, שאינם דליקים, וגמישותם מאפשרת להם להיות מגולגלת ומודפס בקנה מידה מסחרי גדול. רייט, מתחמים. הולכה יון הודגם לראשונה בפולי (אתילן אוקסיד), מלח ואח' (PEO) בשנת 1973. מאוחר יותר התגלה כי הדאגה לבטיחות קשורה עם הצמיחה בדנדריט לי מתכת בנוזל אלקטרוליטי יכולה להיפתר באמצעות מבוסס PEO מוצק הפולימר אלקטרוליט, שדכא את הצמיחה של הדנדריטים 8-17. ישנם שלושה סוגים עיקריים של אלקטרוליטים פולימר: (1) פולימר חופשי ממס יבש מוצק, (2) אלקטרוליטים ג'ל, ו (3) פלסטיק שפולימר, עם סינתזה יבשה חופשי ממס המשמשת בעבודה שלנו.

מאמר זה ידון () סינתזת הממס החופשית פולימר היבש, (ב) מנגנון ההולכה הפולימר, ו (ג) לספק רכיבה על אופניים טמפרטורה עבור שניהם פולימר מוצק ואלקטרוליטים אורגניים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. סינתזה קופולימר שתל 18-19

  1. לסנתז את קופולימרים השתל (שיר-G-PDMS וPOEA-G-PDMS ביחס משקל 70:30) באמצעות גישת פילמור רדיקלים חופשי על ידי ערבוב 26 מ"ל של שיר (או POEA) מונומרים (איור 3), 12 מ"ל של macromonomers PDMS , ו -12 מ"ג של 2,2 '-Azobis (2-methylpropionitrile) (AIBN) (מונומר: יוזם [825:1]) ב160 מ"ל של EA.
  2. לאטום את הבקבוק המכיל את הפתרון ברור עם מחיצת גומי וטיהור גבוה במיוחד עם טוהר ארגון למשך 45 דקות.
  3. מחממים את הפתרון ל72 מעלות צלזיוס (יש AIBN קצב פירוק של 3.2 x 10 -5 שניות -1) באמבט שמן תחת בחישה מתמדת למשך 24 שעות.
  4. הפתרון ברור בדרך כלל בתחילה הפך בעליל חלבי בתוך 2 שעות. לזרז את הפתרון הסופי בממס immiscible, PE. ייבש את הפולימר על 80 מעלות צלזיוס תחת ואקום פחות מ -5 mTorr במשך 5 ימים כדי להסיר את הלחות שיורית.
  5. נמצא כי אם הפולימר היה not התייבש כראוי, הלחות המוגזמת תוביל להיווצרות סדק כאשר פולימר casted לסרטים דקים.
  6. קופולימר השתל הסופי (המוצג באיור 4) היה במשקל מולקולרי של 500,000 g / mol באמצעות כרומטוגרפיה חלחול ג'ל עם כיול סטנדרטי קלקר.
  7. קופולימר המורכב עם השתל בLiTFSI לי: היחס של 1:20 איו (1 גרם של שיר-G-PDMS (70:30) עם 170 מ"ג של LiTFSI) במשותף ממס של THF כדי ליצור את האלקטרוליט.

2. הכנת קטודה Composite

  1. לסנתז קתודה על ידי ערבוב כדור הסתובב LiFePO 4 אבקות (חומרי Linyi Gelon חדשים סוללה) ופחמן שחור (Super P), והמסת התערובת בפתרון GCE ביחס משקל של 5:01:01.
  2. מחממים את התרחיף עד 80 מעלות צלזיוס (פתוח כובע) בזמן שזז. הבא sonicate התרחיף על ידי מגנטי ערבוב כדי להבטיח ערבוב נכון. רופא להב על רדיד אלומיניום בגורם טעינה של 10 מ"ג / 2 ס"מ על גבירדיד האלומיניום כדי להבטיח למינציה טובה יותר לאלומיניום.
  3. ייבש את הקתודה המורכבת בתנור ואקום ב 80 ° CO / N להסיר THF ולחות שיורית.

3. הכנת תא בגודל מטבע ובדיקה

  1. להעביר את הקתודה המורכבת לתוך תא כפפות מלא, ארגון, ואגרוף לדיסקים קטנים (שטח = 1.4 ס"מ 2) באמצעות חותך האלקטרודה דיוק גבוה EL-חתוך (EL-תא). זרוק להטיל פתרון GCE טהור (שיר-G-PDMS, LiTFSI, שניהם מומסים בTHF) על גבי דיסקי אלקטרודה ליצירת שכבת אלקטרוליט.
  2. מחממים את דיסקי קתודה-אלקטרוליט הסופיים על צלחת חמה בתוך תא הכפפות עם נקודת טל של -80 ° C להתאדות THF, ולהרכיב לתוך תאי מטבע CR2032 יחד עם ליתיום דיסקים שווה בגודל GCE מצופה מתכת (סיגמא אולדריץ, 0.75 מ"מ עובי) באמצעות כלי סגירה ידני (Hohsen). סכמטי התא מוצג באיור 5, שבו החלקיקים האפורים מייצגים 4 LiFePO, נציג החלקיקים השחורלהתרעם פחמן, "ספגטי" הכחול מייצג את GCE, והאנודה היא ליתיום מתכת.
  3. להרכיב סט שני של תאים מורכבים מאותם 4 אבקות LiFePO והאנודה מתכת ליתיום, אך במקום להשתמש PVDF קלסר שרף (Kynar), מפריד PVDF (Celgard), ואלקטרוליט הנוזלי של 1 M LiPF 6 בEC: DMC ב01:01 יחס (LP30, מרק), כדי להשוות את הביצועים.
  4. כל ההרכבה שנעשתה בתא כפפות עם נקודת טל של -80 ° C. בוחן סוללה 32 ערוצי MACCOR 4000 שימש למבחני הרכיבה בטמפרטורת הסביבה.

4. מנגנון הולכה פולימר

  1. התנועות המגזריות PEO קשורות בדרך כלל עם הפיתול סביב CC ואגרות חוב במשותף. התנועה מגזרי למחצה האקראית מסייעת להולכת יון על ידי יצירה ושבירה אתרים לתיאום יוני solvated ומתן נפח פנוי ליונים כדי לפזר בהשפעת השדה החשמלי. תחילתה של התנועה מגזרי מתרחשת בvicinity של טמפרטורת מעבר הזכוכית, T גרם, והופך להיות קליל יותר כמו טמפרטורת עליות נוספת מעבר לT גרם. בטמפרטורות גבוהות יותר, חללים מקומיים מיוצרים על ידי התרחבות הפולימר, המאפשרים למגזרי פולימרים לעבור לנפח 19 חינם.
  2. מאז התנועה מגזרי היא הרבה יותר מהיר בשלב אמורפי מעל T g מאשר בשלב גבישים, תחבורה יון בפולימר מתרחשת בעיקר בשלב אמורפי. עם זאת, לאחרונה Li + הולכה בגבישים (PEO) 6: 6 LiAsF הודגמה, אם כי המוליכות היא יותר משני סדרי גודל נמוך יותר מאשר בPEO אמורפי. שלב גבישים או אמורפי של מתחם PEO / מלח תלוי בהרכב, הטמפרטורה, ושיטת הכנת 20-22.
  3. שלא כמו בנוזל, שבו יונים עוברים עם נדן הממס ללא פגע ותחבורה קשורה לצמיגות מקרוסקופית שלממס; בפולימר מוצק, שבו שרשרות הפולימר הן יותר ויותר מסובכים ולא יכולות לזוז על פני מרחקים ארוכים, התחבורה יון קשורה לצמיגות המיקרוסקופית של המגזרים של שרשרות הפולימר. ההובלה של יונים לאורך שרשרות פולימר צריכה להתגבר על שני חסמי הפעלה, שניהם מוצגות איורים 6 ו -7. אחת הוא solvation של היונים על ידי יחידות איו התיאום. תהליך זה כרוך ביצירה ושביר של קשרים כימיים, יש ארהניוס תלות, והמוליכות ניתנת על ידי
    σ (E / KT)
    שבו σ הוא המוליכות, הוא קבוע, ו-E היא האנרגיה השפעול קשורה באגרות החוב. בגלל יונים חייבים לנתק מאתרי התיאום כדי לעבור בפולימר המוצק, אם איגרות החוב הם חזקות מדי, את קטיונים להיות נייחים. אגרות חוב קטיון הפולימר צריכים להיות חזק מספיק לפירוק מלח, אבל לא מספיק חלשo לאפשר לניידות קטיון.
  4. ההובלה של יונים היא מאתר אחד למשנו תאום. תהליך זה קשור לתנועה מגזרי של הפולימר, יש פוגל-טמן-Fulcher (VTF) תלות 22-25, והמוליכות הן המקום שבי T 0 היא בדרך כלל טמפרטורת ייחוס נבחרה להיות 50 K להלן T גרם. משוואה זו עולה כי תנועה תרמית מעל T 0 תורמת להובלת תהליך, ותנועה מהירה יותר צפויה לפולימר עם T נמוך גרם. תהליך VTF קשור לT גרם, ובכך שער הגבלת בטמפרטורות נמוכות. בטמפרטורות גבוהות, התנועה מגזרי הופכת קלילה מספיק שתהליך ארהניוס הופך שיעור מגביל.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

ביצועי הרכיבה של תא טמפרטורת החדר מוצגים באיור 8. העלילה השמאלית מציגה את החיוב ופרופילים פריקה של תאים עם אלקטרוליט הנוזלי הקונבנציונלי (LP30) בשעה 15 אמפר / g, וGCE / קלסר ב10 אמפר / g. איור 9 מראה את פרופילי המתח פריקה שתאי הפולימר המוצקים בטמפרטורת חדר, 60 מעלות צלזיוס, ו120 מעלות צלזיוס באמצעות נוכחי נמוכה של 0.05 ג פרופילי המתח הפריקה כפונקציה של קיבולת מסוימת מוצגים באיור 10, שם הפרשה הנוכחית היא בμA וכותרתו בסמוך לעקומת הפריקה. איור 10 מראה עניים יכולת שיעור בטמפרטורת חדר ויכולת שיעור הרבה יותר טובה בטמפרטורות גבוהות. את צפיפות האנרגיה (שילוב המתח הפריקה ביחס לקיבולת מסוימת) בצפיפויות כוח שונות (הכפלת זרם הקבוע עם מתח פריקה) מוצגת בעלילת Ragone באיור 11 לטמפ 'שונהeratures.

איור 1
איור 1. צפיפות אנרגיה לסוללות שונות 1.

איור 2
איור 2. תא ליתיום מלא במהלך הפריקה.

איור 3
איור 3. שיר וPDMS.

איור 4
איור 4. קופולימר השוחד המסונתז.

איור 5
איור 5. סכמטי של סוללה polymerlithium מוצקה.

איור 6
איור 6. תרומות ליון ניידות עד> 18.

איור 7
איור 7. מוליכות של שיר וPOEA בטמפרטורות שונות.

איור 8
איור 8. רכיבה על אופניים בטמפרטורת חדר 26.

איור 9
איור 9. לפרוק פרופילי מתח בטמפרטורות שונות. לחץ כאן לצפייה בדמות גדולה.

איור 10
איור 10. יכולת לפרוק שיעור בטמפרטורות שונות.m/files/ftp_upload/50067/50067fig10large.jpg "target =" _blank "> לחץ כאן לצפייה בדמות גדולה.

איור 11
איור 11. עלילת Ragone לפולימר וסוללות אלקטרוליט נוזליות בטמפרטורה שונה 26.

טבלת מס '1. ממסים קרבונט נפוצים.

רשימה של ראשי תיבות

2,2 '-Azobis (2-methylpropionitrile) (AIBN)
שתל קופולימר אלקטרוליט (GCE)
Diethyl קרבונט (DEC)
קרבונט דימתיל (DMC)
אתילן אוקסיד (איו)
אתילן פחמה (EC)
אתיל אצטט (EA)
טמפרטורת מעבר זכוכית (T ז)
hexafluorophosphate ליתיום (6 LiPF)
LP30 (LiPF 6 בEC: DMC ביחס של 1:1)
ליתיום הברזל פוספט (LiFePO 4)

ליתיום Hexafluoroarsenate (6 LiAsF)

ליתיום BIS (trifluoromethane) sulfonamide (LiTFSI)
אתר נפט (PE)
Polydimethylsiloxane (PDMS)
methacrylate (oxyethylene) פולי (שיר)
פולי (oxyethylene) Acrylate (POEA)
פרופילן קרבונט (PC)
difluoride פוליוויניל (PVDF)
Tetrahydrofuran (THF)
פוגל-טמן-Fulcher (VTF)

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

עקומות LiFePO 4 / GCE / לי להראות פוטנציאל היתר גדול יותר מעקומות LiFePO 4 / LP30/Li על שניהם תשלום הפרשות. מאז GCE משמש גם כאלקטרוליט וקלסר, ההולכה יון מסופקת לכל חלקיקי הקתודה, וכמעט את היכולת הספציפית המעשית כולו (150 מיליאמפר / g) הייתה נגישה. הקיבולת הספציפית התיאורטית של 170 מיליאמפר / g אינה מושגת שכן הוא מוגבל על ידי דיפוזיה ליתיום בתוך LiFePO 4 חלקיקים, שהוא נמוך בטמפרטורת חדר. את יכולות הרכיבה עבור 50 המחזורים העמוקים הראשונים מוצגות בעלילה הנכונה. את יעילות צריכת האנרגיה במהלך 5 המחזורים הראשונים הן נמוכה (יחס קיבולת טעינה / פריקה גדולה), ככל הנראה בשל אובדן כושר הפיך הקשורים להיווצרות של שכבת פסיבציה על האנודה ליתיום. סרט פסיבציה יכול להיגרם כתוצאה מתגובות בין ליתיום מתכת וTHF שיורי ממס של CF 3 SO 3 - אניוני, אשר ידוע לייצר Lאם מינים.

בשניהם 60 מעלות צלזיוס, 120 מעלות צלזיוס, התא מציג מוליכות נמוכות פוטנציאל היתר בשל מהירות פולימר אלקטרוליט, וכמעט ניתן לגשת קיבולת הספציפית התיאורטית המלאה. מבחן יכולת שיעור מלא של תאי הפולימר המוצקים בוצעו גם בשלוש הטמפרטורות האלה. בכל טמפרטורה, התאים הואשמו בזרם קבוע של 0.05 C (או 25 וואט / ק"ג שוקל הקתודה טעינת צפיפות מסה) והשתחררו בזרמים גבוהים יותר. תאים טריים שמשו לכל הפרשה נוכחית כדי לבודד את ההשפעה של דהיית קיבולת. מבחן יכולת השיעור של תא עם נוזל אלקטרוליטי מסחרי (LP30) בוצע גם בטמפרטורת חדר. את צפיפות האנרגיה (שילוב המתח הפריקה ביחס לקיבולת מסוימת) בצפיפויות כוח שונות (הכפלת זרם הקבוע עם מתח פריקה) מוצג בעלילת Ragone באיור 11 לטמפרטורות השונות. איור 11 reflects התחלופה בין צפיפות אנרגיה וצפיפות הספק. בזרמים גדולים, ביצועי התא הופכים דיפוזיה מוגבלת וקיבולת התא יורדת. לתאים מבוססי LP30, רק נתונים בטמפרטורת החדר נאספו. במקרה של התאים מבוססי GCE, ביצועים קרובים 60 ° C הוא עניין מיוחד שכן טמפרטורה זו היא בטווח של נקודת ההתכה של PEO. כפי שצוין באיור 11 בטמפרטורת חדר את צפיפות האנרגיה של תאי GCE והמבוססים LP30 הן דומות בצפיפויות צריכת חשמל נמוכות. כצפיפות ההספק היא גדל 25-50 וואט / ק"ג, צפיפות האנרגיה של התאים מבוססי GCE נופל באופן דרסטי. עם זאת, בטמפרטורות גבוהות (> 60 מעלות צלזיוס), הירידה בצפיפות אנרגיה של התאים מבוססי GCE עם צפיפות הספק קטנה יותר באופן משמעותי היא הגדלת בשל ניידות גבוהה יותר של רשתות PEO. מעל 60 מעלות צלזיוס, ביצועים של התא מבוסס GCE הופך להיות פחות תלויה בטמפרטורה ובהשוואה לביצועים בטמפרטורת החדרשל התאים המבוססים על אלקטרוליט הנוזליים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

אין ניגודי האינטרסים הכריזו.

Acknowledgments

המחברים מבקשים להודות לWeatherford בינלאומי למתן תמיכה כספית.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
POEM Sigma Aldrich 26915-72-0  
POEA Sigma Aldrich 32171-39-4  
LiTFSI Sigma Aldrich 90076-65-6  
AIBN Sigma Aldrich 78-67-1  
EA Sigma Aldrich 141-78-6  
THF Sigma Aldrich 109-99-9  
PDMS Gelest 146632-07-7  
Argon Gas Air Gas Ultra high purity (Grade 5)
PE Sigma Aldrich 8032-32-4  
LiFePO4 Gelon  
Carbon black SuperP Super P
Lithium metal Alfa Aesar 7439-93-2  
PVDF binder resin Kynar Kynar
PVDF Separator Celgard  
LP30 Merck LiPF6 in EC:DMC
MACCOR battery tester MACCOR  
El-Cut EL-CELL  

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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

Tags

מדע חומרים גיליון 78 פיסיקה כימיה הנדסה כימית כימיה וחומרים הנדסה סוללות ליתיום אלקטרוליטים פולימריים תחמוצת פוליאתילן קופולימר שוחד LiFePO סינתזה פולימרים
אלקטרוליטים קופולימר שתל מצב מוצק עבור יישומי סוללת ליתיום
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Hu, Q., Caputo, A., Sadoway, D. R.… More

Hu, Q., Caputo, A., Sadoway, D. R. Solid-state Graft Copolymer Electrolytes for Lithium Battery Applications. J. Vis. Exp. (78), e50067, doi:10.3791/50067 (2013).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter