Waiting
Login processing...

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

Engineering

الحالة الصلبة الشوارد كوبوليمر الكسب غير المشروع ليثيوم تطبيقات البطارية

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

بطاريات ليثيوم أيون قابلة للاشتعال تستخدم الشوارد العضوية المتطايرة والتي هي مناسبة لتطبيقات درجة الحرارة المحيطة. وثمة بديل أكثر أمانا لالشوارد العضوية هي بطاريات بوليمر صلبة. بطاريات بوليمر صلبة تعمل بأمان في درجات حرارة عالية (> 120 ° C)، مما يجعلها تنطبق على التطبيقات ارتفاع في درجة الحرارة مثل التنقيب عن النفط العميقة والسيارات الكهربائية الهجينة. وستناقش هذه الورقة (أ) تركيب البوليمر، (ب) آلية التوصيل البوليمر، و (ج) توفير الدراجات درجة الحرارة لكل من البوليمر الصلبة والشوارد العضوية.

Abstract

وقد سلامة بطارية منطقة بحثية هامة جدا على مدى العقد الماضي. بطاريات أيون الليثيوم المتاحة تجاريا توظف نقطة وميض منخفضة (<80 ° C)، قابلة للاشتعال، والشوارد العضوية المتطايرة. هذه الأنظمة بالكهرباء على العضوية هي قابلة للحياة في درجات الحرارة المحيطة، ولكن يتطلب نظام التبريد لضمان أن درجات الحرارة لا تتجاوز 80 درجة مئوية. هذه أنظمة التبريد تميل إلى زيادة تكاليف البطارية ويمكن خلل الذي يمكن أن يؤدي إلى عطل البطارية والتفجيرات، مما يهدد حياة الإنسان. الزيادات في أسعار النفط تؤدي إلى طلب كبير على آمنة، والمركبات الكهربائية الهجينة التي هي أكثر قدرة على البقاء اقتصاديا لتشغيل مع استمرار أسعار النفط في الارتفاع. القائمة الشوارد القائمة على العضوية المستخدمة في بطاريات الليثيوم أيون لا تنطبق على تطبيقات السيارات ارتفاع في درجة الحرارة. وثمة بديل أكثر أمانا لالشوارد العضوية هي الشوارد البوليمر الصلبة. وهذا العمل تسليط الضوء على تركيب لالكسب غير المشروع من البوليمرات بالكهرباء (GCE) بولي (سxyethylene) ميتاكريليت (POEM) إلى كتلة مع انخفاض درجة حرارة التحول الزجاجي (T ز) بولي (oxyethylene) أكريلات (POEA). وقد تمت مناقشة آلية التوصيل والذي ظهر فيه العلاقة بين البوليمر الحركة قطعي والموصلية الأيونية لديه في الواقع فوجل-Tammann-العريف (VTF) الاعتماد. وكانت وGCE تدوير في درجة الحرارة المحيطة: البطاريات المتوفرة تجاريا تحتوي على LP30 العضوية (كربونات ثنائي ميثيل (DMC) في نسبة 1:1 LiPF 6 في كربونات الإيثيلين (EC)). وقد تبين أن عند درجة حرارة الغرفة، وأظهرت البطاريات التي تحتوي على GCE overpotential أكبر بالمقارنة مع LP30 بالكهرباء. لكن في درجات حرارة أعلى من 60 درجة مئوية، عرضت الخلية GCE أقل بكثير overpotential بسبب سرعة البوليمر بالكهرباء الموصلية وتم الوصول تقريبا قدرة محددة النظرية كاملة من 170 ماه / ز.

Introduction

الليثيوم (لي) هو معدن موجب الشحنة الكهربائية العالية (-3.04 V نسبة إلى القطب الهيدروجين قياسي)، وأخف المعادن (الوزن يعادل 6.94 جم / مول والثقل النوعي من 0.53 جم / سم 3). هذا يجعلها جذابة كخيار للمادة النشطة في القطب السالب ومثالية لأجهزة تخزين الطاقة المحمولة حيث حجم والوزن المسألة. الشكل 1 يبين أن القائم على بطاريات ليثيوم (ليثيوم أيون، PLiON، ولى المعدن) لديها كثافة طاقة أعلى من حمض الرصاص والنيكل والكادميوم، وبطاريات النيكل والمعدن وهيدريد 1.

تتكون بطارية ليثيوم أيون كامل من القطب السالب (ايجابي)، أنود (سلبي)، المنحل بالكهرباء، وفاصل (الشكل 2). كل من الكاثود والأنود هي مركبات مقحمة، حيث أيونات ليثيوم يمكن أن يقحم أو دو يقحم عكسية (إذا كان القطب الموجب هو الكربون، لى لى يقحم كما محايدة). يوفر بالكهرباء التوصيل الأيونية ويعزل الكهربائيةالتوصيل NIC بين الأقطاب. الفاصل هو نفاذية لأيونات، ولكن جامدة ميكانيكيا للحفاظ على القطبين من البيع على المكشوف. عندما الخلية في حالة مشحونة بالكامل كل من لى ان مقحم في القطب الموجب، وعند الخلية في حالة مفرغة بالكامل كل من أيونات ليثيوم يتم مقحم في القطب السالب. خلال رد فعل عفوي، التفريغ تدفق الإلكترونات من القطب الموجب إلى القطب السالب من خلال دائرة خارجية إلى السلطة الجهاز، في حين تدفق الأيونات من القطب الموجب إلى القطب السالب من خلال المنحل بالكهرباء. الأيونات والإلكترونات تتحد عند الكاثود للحفاظ على الحياد تهمة. عند الشحن، ويتم عكس تدفق.

وقد ركزت معظم تنمية بطارية ليثيوم أيون حتى الآن على مواد الكاثود لأنها تحديد كثافة الطاقة للبطارية بدلا من التركيز على بالكهرباء، والتي ظلت في الغالب نفس لعقود. المنحل بالكهرباء هو قطعة رئيسية من البطارية نظرا لأنه يؤثر على قدرة السلطة الإجمالية الناجمة عن impedanم سواء من خلال بالكهرباء نفسها وعلى واجهات القطب بالكهرباء.

المنحل بالكهرباء المستخدمة في بطاريات ليثيوم أيون يتكون عادة من ملح LIX نوع والمذيبات غير المائيه. بالمقارنة مع الشوارد المائية المستخدمة في أنظمة الكهروكيميائية الأخرى، وعيوب الكهارل ليثيوم أيون هي أقل الموصلية، ارتفاع التكلفة، القابلية للاشتعال، والمشاكل البيئية. وتشمل مزايا مجموعة واسعة درجة الحرارة (أكثر من الذي المنحل بالكهرباء يبقى السائل) من شأنه -150 درجة مئوية إلى 300 درجة مئوية، نافذة الجهد واسعة (تصل إلى 5 V مقابل لى / لى +)، وأفضل التوافق مع أقطاب (المنحل بالكهرباء مائي تتفاعل بعنف مع لى معدنية وشكل يوه والهيدروجين) 2، 3، 4-6.

الشوارد غير المائية الرئيسية المستخدمة في بطاريات وتشمل السوائل العضوية القائمة على كربونات، والبوليمرات، والسوائل الأيونية، والسيراميك. هذه الشوارد في حاجة لتلبية معايير معينة ليتم استخدامها في عملية ليثيوم أيون batteriES. وهي تشمل الموصلية لا يقل عن 10 ملي / سم، نافذة كبيرة الكهروكيميائية (> 4.5 V لكاثود الجهد العالي)، وانخفاض ضغط البخار، والاستقرار الحراري والكيميائي الجيد، سمية منخفضة، ومنخفضة التكلفة. لبعض التطبيقات الصارمة مثل السيارات الكهربائية، يجب أن تتحقق كل هذه المعايير على نطاق واسع درجة الحرارة، وعادة من -20 درجة مئوية إلى 60 درجة مئوية. إذ يركز هذا العمل على الشوارد العضوية والبوليمر، وسوف تبقى من هذه الورقة التركيز على هذه الشوارد.

تتكون الشوارد على كربونات الليثيوم من الملح المذاب في مذيب عضوي. ومع ذلك، فمن الصعب على أي مذيب واحد لتلبية جميع الاحتياجات. على سبيل المثال، المذيبات مع انخفاض ضغط البخار، مثل كربونات الإيثيلين (EC) وكربونات البروبيلين (PC)، تميل إلى أن تكون اللزوجة العالي، مما أدى إلى انخفاض الموصلية. أيضا EC هو الصلبة في درجة حرارة الغرفة، وهذا يتطلب أن تكون مجتمعة مع مذيب آخر. عموما المنحل بالكهرباءهو مزيج من عدة مذيبات. يتم سرد المذيبات المشتركة وبعض خواصها الفيزيائية في الجدول 1.

اسم درجة حرارة انصهار (° C) درجة حرارة الغليان (° C) اللزوجة (MPA * S)
ثنائي ميثيل الكربونات (DMC) 4.6 90 0.5902 (25 ° C)
إثيل كربونات (DEC) -43 126.8 0.7529 (25 ° C)
كربونات الإيثيلين (EC) 36.5 238 1.9 (40 ° C)
البروبيلين كربونات (PC) -54.53 242 2.512 (25 ° C)

الجدول 1. المذيبات كربونات المشتركة 7.

المناوبين أكثر أمانا لورشوالشوارد NIC البوليمر المستندة الشوارد. الشوارد البوليمر هي ذات الأغشية الرقيقة، غير متقلبة، غير قابلة للاشتعال، ومرونتها تتيح لهم أن تدحرجت وطبع على نطاق تجاري واسع. رايت، وآخرون. المجمعات أظهرت أول التوصيل أيون في بولي (أكسيد الاثيلين) الملح (PEO) في عام 1973. وقد اكتشفت لاحقا أن القلق السلامة المرتبطة بالنمو التغصنات على لى المعادن في السائل المنحل بالكهرباء يمكن حلها باستخدام المستندة إلى PEO الصلبة البوليمر المنحل بالكهرباء، والتي قمعت نمو التشعبات 8-17. وهناك ثلاثة أنواع رئيسية من الشوارد البوليمر: (1) المذيبات الحرة الجافة الصلبة البوليمر، (2) الشوارد هلام، و (3) الطيع البوليمر، مع توليفة الجافة مجانا المذيبات المستخدمة في عملنا.

وستناقش هذه الورقة (أ) المذيب مجانا التوليف الجافة البوليمر، (ب) آلية التوصيل البوليمر، و (ج) توفير الدراجات درجة الحرارة لكل من البوليمر الصلبة والشوارد العضوية.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. الكسب غير المشروع التجميعي كوبوليمر 18-19

  1. تجميع بوليمرات الكسب غير المشروع (POEM-G-PDMS وPOEA-G-PDMS في 70:30 نسبة الوزن) باستخدام نهج بلمرة الجذور الحرة عن طريق خلط 26 مل من POEM (أو POEA) مونومرات (الشكل 3)، و 12 مل من macromonomers PDMS ، و 12 ملغ من 2،2 '-Azobis (2-methylpropionitrile) (AIBN) (مونومر: البادئ [825:1]) في 160 مل من EA.
  2. اغلاق القارورة التي تحتوي على حل واضح مع الحاجز المطاطي وتطهير مع نقاء عالية جدا الأرجون لمدة 45 دقيقة.
  3. تسخين المحلول إلى 72 ° C (AIBN لديها معدل التحلل من 3.2 × 10 -5 ثانية -1) في حمام الزيت تحت التحريك المستمر لمدة 24 ساعة.
  4. أصبح الحل واضحا في البداية عادة حليبي واضح في غضون 2 ساعة. يعجل الحل النهائي في مذيب إمتزاج، PE. تجفيف البوليمر في 80 درجة مئوية تحت أقل من 5 فراغ mTorr لمدة 5 أيام لإزالة الرطوبة المتبقية.
  5. وقد وجد أنه إذا كانت البوليمر نبعد التمديد تجفيفها بشكل صحيح، فإن الرطوبة الزائدة تؤدي إلى اتخاذ اجراءات تشكيل عندما كان مسبوكة البوليمر في الأغشية الرقيقة.
  6. كان كوبوليمر الكسب غير المشروع النهائي (كما هو موضح في الشكل 4) وزنها الجزيئي من 500،000 غ / مول باستخدام هلام اللوني تخلل مع البوليسترين المعايرة القياسية.
  7. مجمع البوليمرات الكسب غير المشروع مع LiTFSI في لي: نسبة EO من 01:20 (1 غرام من POEM-G-PDMS (70:30) مع 170 ملغ من LiTFSI) في مذيب شائع من THF لتشكيل بالكهرباء.

2. إعداد الكاثود مركب

  1. توليف القطب السالب عن طريق خلط الكرة المضروب LiFePO 4 مساحيق (ليني Gelon مواد جديدة بطارية) والكربون الأسود (سوبر P)، وتذويب خليط في حل GCE في نسبة وزن 05:01:01.
  2. تسخين الطين إلى 80 درجة مئوية (فتح الحد الأقصى) في حين يجري أثار. المقبل يصوتن الطين عن طريق اثارة مغناطيسيا لضمان خلط الصحيح. الطبيب شفرة على رقائق الألومنيوم في عامل التحميل من 10 ملغم / سم 2 علىاحباط الألومنيوم لضمان أفضل التصفيح إلى الألومنيوم.
  3. تجفيف الكاثود مركب في فرن فراغ في 80 درجة CO / N لإزالة THF المتبقية والرطوبة.

3. عملة خلية التحضير والاختبار

  1. نقل الكاثود مركب إلى صندوق قفازات الأرجون مملوءة، وكمة إلى أقراص صغيرة (المساحة = 1.4 سم 2) باستخدام درجة عالية من الدقة القطب القاطع EL-CUT (EL-CELL). إسقاط يلقي حل GCE النقي (POEM-G-PDMS، LiTFSI، سواء الذائبة في THF) على أقراص الكهربائي لتشكيل طبقة بالكهرباء.
  2. تسخين أقراص الكاثود المنحل بالكهرباء النهائية على طبق ساخن داخل صندوق قفازات مع نقطة الندى من -80 درجة مئوية إلى تتبخر THF، والتجمع في الخلايا CR2032 عملة جنبا إلى جنب مع أقراص الليثيوم معدني مغلف بالمطاط GCE متساوية الحجم (سيغما الدريخ، 0.75 مم) باستخدام أداة إغلاق اليدوية (Hohsen). يظهر التخطيطي الخلية في الشكل (5)، حيث تمثل الجسيمات رمادي LiFePO 4، والجسيمات مندوب أسودتستاء الكربون، والأزرق "السباغيتي" يمثل GCE، والقطب الموجب هو معدن الليثيوم.
  3. تجميع مجموعة ثانية من الخلايا تتكون من نفس LiFePO 4 مساحيق والليثيوم الأنود المعدن، ولكن بدلا من استخدام PVDF الموثق الراتنج (KYNAR)، PVDF فاصل (Celgard)، والكهارل السائل من 1 M LiPF 6 في المفوضية الأوروبية: DMC في 1:1 نسبة (LP30، ميرك)، لمقارنة الأداء.
  4. وقد فعلت كل جمعية في صندوق قفازات مع نقطة الندى من -80 درجة مئوية. تم استخدام 32 قناة MACCOR 4000 اختبار البطارية للاختبارات الدراجات عند درجة حرارة الغرفة.

4. البوليمر آلية التوصيل

  1. وعادة ما ترتبط الاقتراحات قطعي PEO مع التواء حول CC والسندات CO. الحركة قطعي شبه عشوائية يساعد أيون التوصيل عن طريق تشكيل وكسر مواقع التنسيق لأيونات solvated وتوفير حجم الحرة لأيونات لنزع فتيل تحت تأثير الحقل الكهربائي. بداية الحركة قطعي يحدث في vicinitY من درجة حرارة التحول الزجاجي، تي ز، ويصبح أكثر سطحية كما يزيد من درجة حرارة أبعد من T ز. عند ارتفاع درجات الحرارة، ويتم إنتاج الفراغات المحلية عن طريق توسيع البوليمر، مما يسمح للشرائح البوليمر للانتقال إلى حجم مجانا 19.
  2. منذ الحركة قطعي هو أكثر بكثير السريع في مرحلة غير متبلور فوق T ز مما كانت عليه في المرحلة البلورية، نقل أيون بوليمر في الغالب يحدث في مرحلة غير متبلور. ومع ذلك، في الآونة الأخيرة لي + التوصيل في البلورية (PEO) (6): وقد تجلى LiAsF 6، على الرغم من أن الموصلية هو أكثر من عقدين من أوامر من حجم أقل مما كانت عليه في PEO غير متبلور. المرحلة البلورية أو غير متبلور من مجمع PEO / الملح يعتمد على تكوينها، ودرجة الحرارة، وطريقة إعداد 20-22.
  3. خلافا لما حدث في السائلة، حيث تتحرك الأيونات مع غمد من المذيبات سليمة والنقل تتعلق اللزوجة العيانية للالمذيبات؛ في صلب البوليمر، حيث سلاسل البوليمر في شباكها وعلى نحو متزايد لا يمكن أن تتحرك لمسافات طويلة، ويرتبط نقل أيون لزوجة المجهري للقطاعات من سلاسل البوليمر. نقل الأيونات على طول سلاسل البوليمر يحتاج إلى التغلب على حاجزين التنشيط، على حد سواء تظهر في أرقام 6 و 7. واحد هو انذياب من الأيونات من قبل وحدات EO تنسيق. وتنطوي هذه العملية على تشكيل وكسر الروابط الكيميائية، وأرينيوس الاعتماد، ويتم إعطاء الموصلية من قبل
    σ A (E A / كيلوطن)
    حيث σ هو الموصلية، A هو ثابت، وE A هي طاقة التنشيط المرتبطة السندات. لأن الأيونات يجب فصل من مواقع التنسيق من أجل التحرك في البوليمر الصلبة، إذا كانت السندات هي قوية جدا، والكاتيونات تصبح قادرة على الحركة. السندات الكاتيون البوليمر تحتاج إلى أن تكون قوية بما فيه الكفاية لانحلال الملح، ولكن ضعيفة بما فيه الكفاية رس تسمح للتنقل الموجبة.
  4. نقل الأيونات هو من موقع التنسيق واحد إلى آخر. ويرتبط هذه العملية إلى الحركة قطعي من البوليمر، لديه فوجل-Tammann-العريف (VTF) الاعتماد 22-25، والموصلية هو المكان T 0 هو اختيار درجة الحرارة المرجعية عموما أن يكون 50 K أدناه T ز. وتشير هذه المعادلة أن الحركة الحرارية أعلاه T 0 يساهم في نقل عملية، ويتوقع حركة أسرع من البوليمرات مع انخفاض T ز. ويرتبط عملية VTF إلى T G، وبالتالي معدل منظم للفي درجات الحرارة المنخفضة. في درجات حرارة عالية، ويصبح الحركة قطعي سطحي يكفي أن تصبح العملية أرينيوس معدل الحد.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

يظهر درجة الحرارة أداء الدراجات الخلية غرفة في الشكل 8. يظهر المؤامرة اليسار التهمة وملامح التفريغ من الخلايا مع بالكهرباء السائل التقليدية (LP30) في 15 مللي أمبير / ز، وGCE / الموثق في 10 مللي أمبير / ز. ويبين الشكل 9 ملامح الجهد تصريف الخلايا البوليمر الصلبة في درجة حرارة الغرفة، 60 ° C، و 120 درجة مئوية باستخدام تيار منخفض من 0.05 C. وتظهر ملامح الجهد التفريغ وظائف من قدرة محددة في الشكل 10، حيث التفريغ الحالي هو في أمبير وصفت بجانب منحنى التفريغ. الشكل 10 يظهر الفقراء معدل القدرة في درجة حرارة الغرفة والقدرة على معدل أفضل بكثير في درجات حرارة مرتفعة. وتظهر كثافة الطاقة (دمج تصريف الجهد فيما يتعلق بالقدرة محددة) في كثافات الطاقة المختلفة (ضرب تيار مستمر مع تفريغ التيار الكهربائي) في المؤامرة Ragone في الشكل 11 لدرجة الحرارة المختلفةeratures.

الشكل 1
الشكل 1. كثافة الطاقة للبطاريات مختلف 1.

الشكل 2
الشكل 2. خلية ليثيوم أيون كامل أثناء التفريغ.

الشكل (3)
الشكل (3). القصيدة وPDMS.

الشكل 4
الشكل 4. وكوبوليمر الكسب غير المشروع تجميعي.

الرقم 5
الشكل 5. التخطيطي للبطارية polymerlithium الصلبة.

الشكل (6)
الشكل (6). المساهمات في أيون التنقل تصل> 18.

الرقم 7
الرقم 7. الموصلية من القصيدة وPOEA عند درجات حرارة مختلفة.

الرقم 8
الرقم 8. درجة حرارة الغرفة ركوب الدراجات 26.

الرقم 9
الشكل 9. أداء ملامح الجهد عند درجات حرارة مختلفة. انقر هنا لعرض أكبر شخصية .

الرقم 10
الشكل 10. تفريغ معدل القدرة عند درجات حرارة مختلفة.m/files/ftp_upload/50067/50067fig10large.jpg "الهدف =" _blank "> اضغط هنا لعرض أكبر شخصية.

الرقم 11
الشكل 11. مؤامرة Ragone من البوليمرات والبطاريات بالكهرباء السائل في درجة حرارة مختلفة 26.

الجدول 1. المذيبات كربونات مشتركة.

قائمة المختصرات

2،2 '-Azobis (2-methylpropionitrile) (AIBN)
الكسب غير المشروع من البوليمرات بالكهرباء (GCE)
إثيل كربونات (DEC)
كربونات ثنائي ميثيل (DMC)
أكسيد الإيثيلين (EO)
كربونات الإيثيلين (EC)
خلات الإيثيل (EA)
درجة حرارة التحول الزجاجي (T ز)
hexafluorophosphate الليثيوم (LiPF 6)
LP30 (LiPF 6 في المفوضية الأوروبية: DMC بنسبة 1:1)
ليثيوم فوسفات الحديد (LiFePO 4)

الليثيوم سداسيfluoroarsenate (LiAsF 6)

الليثيوم مكررا (trifluoromethane) السلفوناميد (LiTFSI)
اثير البترول (PE)
Polydimethylsiloxane (PDMS)
بولي (oxyethylene) ميتاكريليت (POEM)
بولي (oxyethylene) أكريلات (POEA)
البروبيلين كربونات (PC)
difluoride البولي فينيل (PVDF)
رباعي هيدرو الفوران (THF)
فوجل-Tammann-العريف (VTF)

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

وLiFePO 4 / GCE / لى منحنيات تظهر أكبر overpotential من LiFePO 4 / LP30/Li المنحنيات على كل تهمة والتفريغ. منذ يتم استخدام GCE على حد سواء بالكهرباء والموثق، وتقدم التوصيل أيون لجميع الجزيئات الكاثود، وكان ما يقرب من قدرات محددة العملية بأكملها (150 ماه / ز) يمكن الوصول إليها. لم يتحقق قدرة محددة النظرية من 170 ماه / ز منذ يقتصر ذلك عن طريق الانتشار الليثيوم داخل LiFePO 4 جزيئات، وهي نسبة منخفضة في درجة حرارة الغرفة. وتظهر قدرات ركوب الدراجات لمدة 50 الأولى دورات في عمق المؤامرة الحق. وكفاءة الطاقة خلال دورات 5 الأولى منخفضة (كبير تهمة / التفريغ نسبة القدرات)، وربما يعود ذلك إلى فقدان القدرة عكسها المتصلة تشكيل طبقة التخميل على الأنود الليثيوم. الفيلم التخميل يمكن أن تنجم عن التفاعلات بين معدن الليثيوم وTHF المتبقية مذيب للCF 3 SO 3 - الأنيونات، التي هي معروفة لإنتاج LiF لالأنواع.

في كل من 60 درجة مئوية و 120 درجة مئوية، ويسلك الخلية منخفض overpotential بسبب سرعة البوليمر بالكهرباء الموصلية، وما يقرب من قدرة محددة النظرية كاملة يمكن الوصول إليها. أجريت معدل كامل اختبار قدرة الخلايا البوليمر الصلبة أيضا في درجات الحرارة هذه الثلاثة. في كل درجة الحرارة، وجهت إلى الخلايا في تيار مستمر من 0.05 C (أو 25 واط / كجم النظر في الكاثود التحميل كثافة الكتلة) وتفريغها في التيارات العالي. وقد استخدمت خلايا جديدة لكل التفريغ الحالية لعزل تأثير تتلاشى القدرات. تم إجراء اختبار قدرة معدل زنزانة مع السائل المنحل بالكهرباء التجارية (LP30) أيضا في درجة حرارة الغرفة. وتظهر كثافة الطاقة (دمج تصريف الجهد فيما يتعلق بالقدرة محددة) في كثافات الطاقة المختلفة (ضرب تيار مستمر مع تفريغ التيار الكهربائي) في المؤامرة Ragone في الشكل (11) لدرجات حرارة مختلفة. الشكل 11 يعكس صافي الطاقالنظام الأوروبي المفاضلة بين كثافة الطاقة وكثافة الطاقة. في التيارات الكبيرة، ويصبح أداء الخلية نشر محدودة ويقلل من قدرة الخلية. للحصول على الخلايا المستندة إلى LP30، وقد تم جمع البيانات فقط درجة حرارة الغرفة. في حالة الخلايا المستندة إلى الحملة العالمية للتعليم، والأداء قرب 60 ° C هو موضع اهتمام خاص حيث أن هذه الحرارة هو في حدود نقطة ذوبان PEO. كما هو مبين في الشكل 11 في درجة حرارة الغرفة وكثافة الطاقة من الخلايا GCE والمستندة إلى LP30 قابلة للمقارنة بكثافة منخفضة الطاقة. كما يتم زيادة كثافة الطاقة 25-50 واط / كجم، وكثافة الطاقة من الخلايا المستندة GCE يندرج بشكل جذري. ومع ذلك، في درجات حرارة مرتفعة (> 60 ° C)، وانخفاض في كثافة الطاقة من الخلايا المستندة GCE مع زيادة كثافة الطاقة هو أصغر بكثير بسبب التنقل من أعلى السلاسل PEO. فوق 60 درجة مئوية، وأداء الخلية المستندة إلى GCE يصبح أقل اعتمادا على درجة الحرارة وقابلة للمقارنة لأداء درجة حرارة الغرفةمن الخلايا السائلة المستندة بالكهرباء.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

الإعلان عن أي تضارب في المصالح.

Acknowledgments

فإن الكتاب أود أن أشكر ويذر فورد الدولية لتوفير الدعم المالي.

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

علوم المواد، العدد 78، الفيزياء، الكيمياء، الهندسة الكيميائية والكيمياء والمواد، والهندسة، بطاريات ليثيوم، المنحلات بالكهرباء بوليمر، وأكسيد البولي إثيلين، كوبوليمر الكسب غير المشروع، LiFePO
الحالة الصلبة الشوارد كوبوليمر الكسب غير المشروع ليثيوم تطبيقات البطارية
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