بطاريات ليثيوم أيون الصلبة الدولة باستخدام بالكهرباء الصلبة بدلا من الكهارل السائل العضوي التقليدي، ومن المتوقع أن حل جذري لمشكلة سلامة البطارية والسيارات الكهربائية والتخزين الكيميائي مصدر الطاقة المثالي على نطاق واسع.
وتشمل النقاط الرئيسية إعداد بالكهرباء الصلبة مع ارتفاع درجة حرارة الغرفة الموصلية والاستقرار الكهروكيميائية والمواد عالية الطاقة الكهربائي مناسبة لجميع الصلبة الحالة بطارية ليثيوم أيون لتحسين القطب / التوافق المنحل بالكهرباء الصلبة واجهة.
هيكل الحالة الصلبة بطارية ليثيوم أيون، بما في ذلك إيجابية، بالكهرباء، سلبية، وكلها مصنوعة من المواد الصلبة، مقارنة مع بالكهرباء التقليدية بطاريات ليثيوم أيون لها المزايا التالية:
① القضاء تماما على مشاكل السلامة المحتملة للتآكل بالكهرباء والتسرب والاستقرار الحراري أعلى؛
② لا تحتاج إلى حزمة السائل، ودعم الترتيب التسلسلي والهيكل ثنائي القطب، وتحسين كفاءة الإنتاج.
③ بسبب الصلبة بالكهرباء خصائص الحالة الصلبة، يمكنك ركب أقطاب متعددة.
الكهروكيميائية نافذة مستقرة واسعة (تصل إلى 5V)، يمكن أن تتطابق مع المواد القطب الكهربائي عالية الجهد.
⑤ الصلبة بالكهرباء الأيونية موصل هو عادة واحدة، أي ما يقرب من التفاعلات الجانبية، حياة أطول.
الكهارل الصلبة
البوليمر الصلبة بالكهرباء
البوليمر بالكهرباء الصلبة (وSPE)، ويتألف من البوليمر (على سبيل المثال، والبوليستر، والانزيمات البولي اثيلين البولي أمينات وما شابه ذلك) وملح الليثيوم (على سبيل المثال، LiClO4، LiAsF4، LiPF6، LiBF4، وما إلى ذلك)، بسبب أخف وزنا، واللزجة جيدة، المعالجة الميكانيكية وغيرها من الخصائص الممتازة وتلقى اهتماما واسع النطاق.
اليوم، SPE شيوعا تشمل اكسيد البولي ايثيلين (PEO)، البولي أكريلونيتريل (PAN)، فلوريد البولي فينيل (PVDF)، ميتاكريليت بولي (PMMA)، وأكسيد بروبيلين (PPO)، وبولي كلوريد الفينيليدين (PVDC)، وغيرها من النظم واحد الأيونية البوليمر بالكهرباء.
في الوقت الحاضر، تبقى الركيزة الرئيسية ويرد SPE أولا PEO ومشتقاتها، ويرجع ذلك أساسا إلى يمكن أن يكون أفضل استقرت ملح الليثيوم نأت المعدن PEO والليثيوم.
ومع ذلك، منذ نقل أيون بوليمر المنحل بالكهرباء الصلبة يحدث في المقام الأول في منطقة غير متبلور، والتبلور ارتفاع في درجة حرارة الغرفة معدلة PEO، مما أدى إلى انخفاض الموصلية أيون، يؤثر تأثيرا خطيرا على قدرة كبيرة من الشحن والتفريغ الحالية.
الباحثون تحسن من طريقة للحد من التبلور من القدرة على ممارسة الرياضة جزء PEO، وبالتالي زيادة التوصيل للنظام، واحدة من أكثر الطرق بسيطة وفعالة لالبوليمر هو علاج الهجين من الجزيئات غير العضوية.
هذه الدراسة تشمل الحشو أكثر غير العضوية أهداب الشوق، AL2O3، SiO2 وأكسيد المعادن النانوية الزيوليت، مونتموريلونيت، مضيفا هذه الجزيئات غير العضوية يزعج منظم قطعة البوليمر، ويقلل من التبلور لها ، والتفاعل بين البوليمر، وملح الليثيوم والجزيئات غير العضوية يزيد من قناة انتقال أيونات الليثيوم، لتحسين التوصيل وعدد وسائل النقل أيون. حشو غير العضوية قد تعمل أيضا الشوائب أثر (على سبيل المثال، الرطوبة) مجمع الامتزاز في بالكهرباء، لتحسين دور الخواص الميكانيكية.
لمزيد من تحسين الأداء، وضعت بعض الباحثين نوع جديد من حشو، حيث التجمع الذاتي للأيون الانتقال المعادن ويجند العضوية سلسلة ربط الموقع التشبع (عادة جامدة) لتشكيل إطار معدني العضوي (وزارة المالية) نظرا لمسامية وارتفاع الاستقرار والاهتمام.
بالكهرباء أكسيد الصلبة
هيكل وفقا أكسيد الصلبة المواد المنحل بالكهرباء ويمكن تقسيم البلورية وزجاجي فئات (غير متبلور)، حيث يضم بالكهرباء نوع بلوري perovskite، وهو نوع NASICON، نوع LISICON ومثل العقيق، زجاجي أكسيد بالكهرباء محور البحث هو البطاريات بالكهرباء فيلم LiPON.
البلورية بالكهرباء أكسيد الصلبة
أكسيد الكالسيوم البلوري الصلب لديه استقرار كيميائي عالي ويمكن أن يكون ثابتا في الغلاف الجوي، وهو لصالح الإنتاج على نطاق واسع من جميع بطاريات الحالة الصلبة.تركز البحوث الحالية على تحسين الموصلية الأيونية في درجة حرارة الغرفة والتوافق مع الأقطاب الكهربائية. في الوقت الحاضر، وأساليب لتحسين الموصلية هي أساسا استبدال العنصر والمنشطات عنصري.بالإضافة إلى ذلك، فإن التوافق مع القطب هو أيضا قضية هامة تقيد تطبيقه.
ليبون من نوع بالكهرباء
في عام 1992، الولايات المتحدة أوك ريدج المختبر الوطني (أورنل) في جو النتروجين عالية النقاء باستخدام رف المغنطرون الاخرق جهاز الاخرق أهداف LiPP04 أعدت ليبون الفيلم بالكهرباء.
المواد ديها الأداء العام ممتازة، ودرجة حرارة الغرفة الموصلية الأيونية من 2.3x10-6S / سم، نافذة الكهروكيميائية من 5.5V (vs.Li/Li+)، والاستقرار الحراري الجيد، ومع LiCoO2، LiMn2O4 إيجابي القطب ومعدن الليثيوم، الخ وسبائك الليثيوم القطب السالب التوافق ممتازة. LiPON حجم الفيلم يعتمد على محتوى الموصلية الأيونية للمادة الفيلم وهيكل غير متبلور من محتوى N، N يمكن زيادة تحسين الموصلية الأيونية.
يعتقد على نطاق واسع، LiPON هو كل الحالة الصلبة البطارية الرقيقة من المواد بالكهرباء القياسية، وتم تسويقها.
ومع ذلك، في الوقت نفسه، فإنه من الصعب السيطرة على تكوين رقيقة ومعدل الترسيب منخفضة، وبالتالي، فإن الباحثين في محاولة لاستخدام أساليب أخرى لإعداد أفلام رقيقة ليبون، مثل ترسب الليزر نابض ، التبخر شعاع الالكترون وشعاع أيون مساعدة فراغ التبخر الحراري وما شابه ذلك.
بالإضافة إلى التغيرات في أساليب التحضير، واستخدمت استبدال البدائل وطرق الاستبدال الجزئي أيضا من قبل الباحثين لإعداد مجموعة متنوعة من الشوارد غير متبلور من نوع ليبون مع خصائص متفوقة.
كبريتيد بلوري الصلبة بالكهرباء
بالكهرباء الصلبة البلورية الأكثر شيوعا هو كبريتيد-ثيو-LISICON، أول Li2S-GeS2-P2S، ونظام اكتشافها من قبل أستاذ معهد كانو طوكيو للتكنولوجيا، والتركيب الكيميائي للLi4-xGe1-xPxS4، درجة حرارة الغرفة الموصلية الأيونية تصل إلى 2.2 x10-3S / سم (حيث x = 0.75)، والموصلية الإلكترون لا يكاد يذكر. ثيو-LISICON الصيغة الكيميائية Li4-xGe1-xPxS4 (أ = قه، سي، الخ، B = P، A1، الزنك، وما إلى ذلك).
الزجاج كبريتيد والزجاج بالكهرباء الصلبة السيراميك
هيئة بالكهرباء زجاجي، وعادة ما شكلت شبكة من Li2S تعديل P2S5، SiS2، شبكة B2S3 من النظم الأخرى التي تتألف أساسا Li2S-P2S5، Li2S-SiS2، Li2S-B2S3، مجموعة واسعة تكوين وغرفة درجة حرارة عالية الموصلية الأيونية، في حين وجود الاستقرار الحرارية العالية، وحسن أداء السلامة، واسعة نافذة الاستقرار الكهروكيميائية (ما يصل الى 5V أعلاه) خصائص عالية الطاقة، وارتفاع وانخفاض درجة الحرارة بطاريات الحالة الصلبة ميزة بارزة هي إمكانات كبيرة من المواد البطارية بالكهرباء الحالة الصلبة.
بحث الاستاذ في جامعة ولاية أوساكا TATSUMISAGO Li2S-P2S5 بالكهرباء في موقف الرائدة، لأول مرة تجد Li2S-P2S5 الزجاج عالية العلاج درجات الحرارة هو تبلور جزئيا لتشكيل السيراميك والزجاج، وأودعت في المصفوفة الزجاج المرحلة البلورية بحيث بالكهرباء وتحسن كبير في التوصيل.
جميع الحالة الصلبة بطارية القطب المواد
على الرغم من أن بالكهرباء الصلبة والمواد القطب التفاعلات الجانبية واجهة كبير تحلل بالكهرباء الصلبة غير موجود، ولكن خصائص الصلبة مثل أن التوافق القطب / واجهة المنحل بالكهرباء والفقراء، مما يؤثر بشكل خطير جدا نقل أيون للمقاومة بينية، مما يؤدي إلى انخفاض دورة حياة البطارية الحالة الصلبة ، والفرق بين معدل الأداء وعلاوة على ذلك، وكثافة الطاقة لا يمكن تلبية الاحتياجات للبطارية كبيرة بحوث المواد الكهربائي تركز على جانبين: أحدهما يتم تعديل واجهة ومسرى المواد، وتحسين القطب / المنحل بالكهرباء التوافق البيني. ثانيا، تطوير مواد كهربائي جديد، وبالتالي زيادة تعزيز أداء خلية كهروكيميائية الحالة الصلبة.
مادة الكاثود
البطارية عادة كل الصلبة باستخدام القطب الموجب مركب الكهربائي، بالإضافة إلى المواد القطب النشطة مزيد تضم المنحل بالكهرباء الصلبة وكيل موصل، ولعب دور في نقل الأيونات والإلكترونات في القطب. LiCoO2، LiFePO4 بطارية، LiMn2O4 أكسيد القطب الموجب هذه الطلبات في كل الحالة الصلبة البطارية أكثر مشترك.
عندما بالكهرباء هو كبريتيد، لأن الفرق بين كمون كيميائي أكبر، جذب القطب الموجب من أكسيد لي + أقوى بكثير من بالكهرباء كبريتيد، مما أسفر عن عدد كبير من لي + ينتقل إلى القطب الموجب، واجهة بالكهرباء المنضب الليثيوم.
إذا كان القطب الموجب هو موصل أكسيد أيون، كما سيتم تشكيل القطب الموجب في طبقة تهمة الفضاء، ولكن إذا كان موصل مختلط القطب الموجب (على سبيل المثال، LiCoO2 كلا موصل أيون وما شابه ذلك، ولكن أيضا الموصلات الإلكترونية)، وتضعف تركيز لي + في أكسيد مع موصل إلكترونيا، الفضاء طبقة تهمة تختفي، ثم كبريتيد بالكهرباء لي + في القطب الموجب يتم نقل مرة أخرى، وطبقة تهمة الفضاء في بالكهرباء وقد تم تحسين، مما أدى إلى مقاومة بينية كبيرة جدا تؤثر على أداء البطارية.
بين القطب الموجب وطبقة أكسيد زيادات بالكهرباء فقط أيون موصل، يمكن قمع على نحو فعال في توليد طبقة الفضاء المسؤول، والحد من مقاومة بينية. وعلاوة على ذلك، من أجل تحسين الموصلية الأيونية من المواد القطب إيجابية في حد ذاته، يمكن أن يكون الأمثل أداء البطارية، فإن الغرض من تحسين كثافة الطاقة.
من أجل زيادة تحسين كثافة الطاقة والأداء الكهروكيميائية لجميع البطاريات الحالة الصلبة، والناس أيضا بنشاط البحث وتطوير أقطاب جديدة عالية الطاقة الإيجابية، بما في ذلك قدرة عالية المواد الإيجابية الثلاثي و 5 V المواد ذات الجهد العالي.
الممثلون النموذجيون للمواد الثلاثي هي LiNi1-x-yCoxMnyO2 (نسم) و LiNi1-x-yCoxA1yO2 (نكا)، وكلاهما مع بنية الطبقات، والقدرة النظرية المحددة عالية.
مقارنة مع الإسبنيل LiMn2O4، 5V الإسبنيل LiNi0.5Mn1.5O4 ديه أعلى منصة التفريغ الجهد (4.7V) ومعدل الأداء، لذلك يصبح مادة مرشح قوية لجميع الصلبة الحالة بطارية القطب الموجب.
بالإضافة إلى القطب الموجب من أكسيد، القطب الموجب من كبريتيد هو أيضا جزء مهم من جميع الحالة الصلبة مادة الكاثود البطارية، وهذه المواد لديها عموما قدرة محددة النظرية محددة، عدة مرات أو حتى أمر من حجم أعلى من القطب الموجب من أكسيد، المنحل بالكهرباء مطابقة، بسبب إمكانات كيميائية مماثلة، لن يسبب خطير الفضاء تهمة تأثير طبقة، ومن المتوقع أن كل بطارية الحالة الصلبة لتحقيق قدرة عالية وحياة طويلة من متطلبات الأسابيع الحقيقية.
ومع ذلك، فإن واجهة إيجابية صلبة بين القطب الموجب كبريتيد والكهارل لا يزال لديه مشاكل ضعف الاتصال، مقاومة عالية، وغير قادر على شحن والتفريغ.
مادة الأنود
المعادن لي المواد الأنود
ونظرا لقدرته العالية والمزايا المنخفضة المحتملة لجميع البطاريات الحالة الصلبة تصبح أهم مادة الأنود، ومع ذلك، فإن لي المعادن في دورة سيكون هناك التشعبات الليثيوم لن تجعل فقط متاحة للجزء لا يتجزأ / قبالة كمية الحد من الليثيوم، وأكثر على محمل الجد، فإنه سوف يسبب مشاكل السلامة مثل ماس كهربائى.
وبالإضافة إلى ذلك، فإن المعدن لي حيوية جدا وسهلة للرد مع الأكسجين والرطوبة في الهواء، والمعادن لي لا يمكن أن تصمد أمام ارتفاع في درجة الحرارة، الأمر الذي يجعل من تجميع وتطبيق البطارية صعبة.إضافة المعادن الأخرى وسبائك الليثيوم هي الطريقة الرئيسية لحل المشاكل المذكورة أعلاه واحدة من هذه المواد سبيكة عموما لديها القدرة النظرية العالية، والنشاط المعدني الليثيوم بسبب إضافة المعادن الأخرى للحد، ويمكن السيطرة على نحو فعال تشكيل التشعبات الليثيوم والتفاعلات الجانبية الكهروكيميائية، وبالتالي تعزيز الاستقرار واجهة. الصيغة العامة لسبائك الليثيوم هي ليكسم، حيث قد تكون M في B، آل، غا، سن، سي، غي، ي، أس، بي، سب، سو، أغ، زن وما شابه ذلك.
ومع ذلك، من سبائك الليثيوم القطب السالب، وهناك بعض عيوب واضحة، كبير أساسا تغيير حجم الكهربائي أثناء ركوب الدراجات، وفي الحالات الشديدة يمكن أن تؤدي إلى مسحوق انخفاض القطب كبير من الفشل، وخصائص دورة، ومنذ الليثيوم لا يزال مادة القطب النشطة، والمقابلة ولا تزال المخاطر الأمنية قائمة.
في الوقت الحاضر، وتشمل وسائل يمكن تحسين هذه المشاكل تركيب السبائك جديدة والسبائك ونانو المركب متناهية الصغر نظام سبيكة (على سبيل المثال، نشط / غير نشط، ونشط / ول، وهيكل المركبة التي يسهل اختراقها القائمة على الكربون).
الكربون مادة الأنود الأسرة
مجموعة الكربون الكربون، والسيليكون والمواد القائمة على القصدير هو مهمة جميع الصلبة بطارية السلبية المواد القطب آخر. استنادا الكربون والمواد القائمة على الغرافيت كممثل نموذجي، ومناسبة للكربون غرافيتي وجود بنية الطبقات، وأيونات الليثيوم الخروج، وبعد منصة الجهد جيدة، وكفاءة المسؤول عن تصريف أكثر من 90٪، ومع ذلك، فإن القدرة النظرية منخفضة (فقط 372mAh / ز) هو أكبر عيب من هذه المواد، والتطبيق العملي للتيار وصلت إلى حد كبير حدود النظرية، لا تستطيع ان تلبي ارتفاع كثافة الطاقة يحتاج.
في الآونة الأخيرة، الجرافين، أنابيب الكربون النانوية كمادة الكربون نانو الكربون جديدة في السوق، سعة البطارية يمكن توسيعها إلى 2-3 مرات من قبل.
أكسيد الأنود المواد
بما في ذلك أكاسيد المعادن، والمعادن على أساس أكسيد أكاسيد المركبة وغيرها من المواد القطب السلبية النمطية دون الألعاب النارية :. TIO2، MoO2، In2O3، AL2O3، Cu2O، VO2، SnOx، SiOx، Ga2O3، Sb2O5، BiO5 الخ، وهذه أكاسيد لديهم قدرة عالية محددة النظرية، ولكن في أثناء النزوح من أكاسيد المعادن واحدة، ويستهلك كمية كبيرة من لي، مما تسبب في خسائر كبيرة في القدرات، ويترافق دورة عن تغيير الحجم الكبير، مما أدى إلى فشل البطارية، ويمكن تحسين هذه المشكلة عن طريق تفاقم مع المواد القائمة على الكربون.
استنتاج
الأكثر احتمالا ليتم تطبيقها على المواد الصلبة بالكهرباء تضم كل الحالة الصلبة بطارية ليثيوم أيون بوليمر الشوارد أساس PEO، أكسيد NASICON من نوع الشوارد والعقيق، وكبريتيد بالكهرباء.
على الجانب الكهربائي، بالإضافة إلى أكسيد المعادن انتقال أكسيد إيجابي التقليدي، معدن الليثيوم، الأنود الجرافيت، ويجري أيضا تطوير سلسلة من المواد عالية الأداء الإيجابية والسلبية، بما في ذلك عالية الجهد أكسيد القطب الموجب، وارتفاع قدرة كبريتيد القطب الموجب، والاستقرار جيدة المركب السلبي وهلم جرا.
ولكن لا تزال هناك مشاكل يتعين حلها:
1) الموصلية من الشوارد البوليمر القائمة على بيو لا تزال منخفضة، مما أدى إلى ضعف التكبير البطارية وانخفاض درجة الحرارة الأداء، وضعف التوافق مع الجهد العالي الأقطاب الإيجابية، الشوارد البوليمر جديدة مع الموصلية عالية ومقاومة الضغط العالي التي سيتم تطويرها.
2) من أجل تحقيق تخزين الطاقة العالية حياة طويلة من جميع الصلبة حالة البطارية، لا بد من تطوير جديدة عالية الطاقة وعالية الاستقرار المواد الإيجابية والسلبية، وأفضل مزيج وسلامة المواد عالية الطاقة الكهربائي والكهارل الصلبة تحتاج إلى تأكيد.
3) كان القطب / بالكهرباء الصلبة الصلبة واجهة في جميع الصلبة الحالة بطارية دائما مشكلة خطيرة، بما في ذلك مقاومة واجهة كبيرة، والاستقرار واجهة والفقراء، والتغيرات الإجهاد واجهة، والتي تؤثر بشكل مباشر على أداء البطارية.
على الرغم من أن هناك العديد من المشاكل، على العموم، وآفاق تطوير جميع الحالة الصلبة بطارية مشرقة جدا، في المستقبل لتحل محل بطارية ليثيوم أيون الحالية لتصبح التيار طاقة تخزين الطاقة هو الاتجاه.
