Solid-State-Lithium-Ionen-Batterien mit Festelektrolyten anstelle von traditionellen organischen Flüssigelektrolyten, wird voraussichtlich das Problem der Batteriesicherheit, Elektrofahrzeuge und große chemische Speicher ideale Energiequelle grundlegend lösen.
Zu den Schlüsselthemen gehören die Herstellung von Festelektrolyten mit hoher Leitfähigkeit bei Raumtemperatur und elektrochemischer Stabilität sowie hochenergetische Elektrodenmaterialien, die für Festkörper-Lithiumionenbatterien geeignet sind, um die Kompatibilität zwischen Elektrode und Elektrolyt zu verbessern.
Festkörper-Lithium-Ionen-Batterie-Struktur, einschließlich der positiven, Elektrolyt, negativ, alle aus festen Materialien, im Vergleich zu den traditionellen Elektrolyt-Lithium-Ionen-Batterien haben die folgenden Vorteile:
① vollständig beseitigen die potenziellen Sicherheitsprobleme von Elektrolyt Korrosion und Leckage, thermische Stabilität höher;
② Flüssigkeits Paket ist nicht erforderlich, die Anordnung und ist seriell bipolar Struktur überlagert ist, die Produktionseffizienz zu verbessern;
③ Aufgrund der Festelektrolyt-Festkörpereigenschaften können Sie mehrere Elektroden überlagern;
Elektrochemisches stabiles Fenster weit (bis zu 5V), kann die Hochspannungselektrodenmaterialien zusammenbringen;
⑤ Festelektrolyt ist in der Regel ein einzelner Ionenleiter, fast keine Nebenwirkungen, längere Lebensdauer.
Festelektrolyt
Polymer Festelektrolyt
Der feste Polymerelektrolyt (SPE), bestehend aus einer Polymermatrix (beispielsweise Polyester, Polyethylenpolyamin Enzyme und dergleichen) und das Lithiumsalz (beispielsweise LiClO4, LiAsF4, LiPF6, LiBF4, etc.), die wegen ihres leichteren Gewichts, gute viskoelastische, Mechanische Verarbeitung und andere Merkmale der ausgezeichneten und breite Aufmerksamkeit erhalten.
Heute gemeinsam SPE umfassen Polyethylenoxid (PEO), Polyacrylnitril (PAN), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polypropylenoxid (PPO), Poly Vinylidenchlorid (PVDC), und andere Systeme ein einzelner ionischer Elektrolytpolymer.
Gegenwärtig wird der Mainstream-Substrat bleibt SPE ersten davon PEO und Derivate vorgestellt, vor allem aufgrund des PEO und Lithiummetall kann besser dissoziiertes Lithiumsalz stabilisiert werden.
Da jedoch der Festpolymerelektrolyt-Ionentransport tritt hauptsächlich im amorphen Bereich, und ein hohe Kristallinität bei Raumtemperatur unmodifizierten PEO, was zu einer geringeren Ionenleitfähigkeit, ernsthaft die großen Strom Ladungs- und Entladungsfähigkeit zu beeinträchtigen.
Forscher durch die Methode zur Verringerung der Kristallinität von PEO-Segment zur Verbesserung der Beweglichkeit und damit zur Erhöhung der Leitfähigkeit des Systems, ist die einfachste und effektivste Methode zur Polymer-Matrix-Hybridisierung von anorganischen Partikeln.
Die vorliegende Studie mehrere anorganische Füllstoffe umfassen MgO, Al2O3, SiO2 und Metalloxidnanopartikel Zeolith, Montmorillonit, Zugabe dieser anorganischen Partikel geordneten Matrix Polymersegment stört, verringert seine Kristallinität Die Wechselwirkung zwischen Polymer, Lithiumsalz und anorganischen Partikeln erhöht den Lithium-Ionentransportkanal und erhöht die Leitfähigkeit und Ionenbeweglichkeit.Anorganische Füllstoffe können auch Spurenverunreinigungen (wie Feuchtigkeit) in dem Verbundelektrolyt adsorbieren und erhöhen Die Rolle der mechanischen Eigenschaften.
Um die Leistung weiter zu verbessern, haben einige Forscher eine neue Art von Füllstoff entwickelt, wobei die Selbstorganisation von einem Übergangsmetallion und eine organischen Liganden verbindende Kette ungesättigte Stelle (in der Regel starr) ein metallorganisches Framework (MOF) aufgrund seines porösen zu bilden und eine hohe Stabilität und Aufmerksamkeit.
Festoxidelektrolyt
Struktur nach oxidischen Festelektrolytmaterial kann in kristallin und glasige (amorphe) Kategorien unterteilt werden, wobei der Elektrolyt einen kristallinen Perovskit-Typen umfasst, Nasicontyp, LISICON Typen und dergleichen Granat, glasige Oxidelektrolyten der Forschungsschwerpunkt ist die Film LiPON Elektrolytbatterien.
Kristalline Festoxidelektrolyt
Der oxidische kristalline Festelektrolyt weist eine hohe chemische Stabilität auf und kann stabil in der Atmosphäre existieren.Es spricht für die Herstellung von Festkörperbatterien im großen Maßstab.Die aktuellen Forschungsschwerpunkte sind die Verbesserung der Ionenleitfähigkeitbei Raumtemperatur und die Kompatibilität mit Elektroden. Gegenwärtig sind die Verfahren zur Verbesserung der Leitfähigkeit hauptsächlich Elementsubstitution und elementare Dotierung.Außerdem ist die Kompatibilität mit der Elektrode auch ein wichtiges Problem, das ihre Anwendung einschränkt.
LiPON-Typ Elektrolyt
Im Jahr 1992, das US-amerikanische Oak Ridge National Laboratory (ORNL) in einer hochreinen Stickstoffatmosphäre unter Verwendung von RF-Magnetron-Sputter-Vorrichtung Sputtern LiPP04 Targets LiPON-Elektrolyt-Film vorbereitet.
Das Material hat eine ausgezeichnete Gesamtleistung, bei Raumtemperatur ionische Leitfähigkeit von 2.3x10-6S / cm, elektrochemisches Fenster von 5,5 V (vs.Li/Li+), guter thermischer Stabilität und mit LiCoO2, LiMn2O4 positiver Elektrode und metallischen Lithium, usw. Lithium-Legierung der negativen Elektrode eine ausgezeichnete Verträglichkeit. LiPON Filmgröße hängt von dem Inhalt der Ionenleitfähigkeit des Filmmaterials und der amorphen Struktur des N, N-Gehalt kann die Ionenleitfähigkeit zu verbessern, erhöht werden.
Allgemein angenommen, ist LiPON All-Solid-State-Dünnfilmbatterie von Standardelektrolytmaterial, und kommerzialisiert worden.
Gleichzeitig ist es jedoch schwierig, die Zusammensetzung des Dünnfilms zu kontrollieren, und die Abscheidungsrate ist gering, weshalb die Forscher versuchen, andere Verfahren zur Herstellung von dünnen LiPON-Filmen, wie die gepulste Laserabscheidung, zu verwenden Elektronenstrahlverdampfung und Ionenstrahl unterstützte vakuumthermische Verdampfung und dergleichen.
Zusätzlich zu den Änderungen in den Präparationsmethoden wurden auch die Substitutions- und Partialsubstitutionsverfahren von den Forschern verwendet, um eine Vielzahl von amorphen Elektrolyten vom LiPON-Typ mit überlegenen Eigenschaften herzustellen.
Sulfidkristalliner Festelektrolyt
Das typischste, kristallinen Feststoff-Elektrolyt ist ein Sulfid-thio-LISICON, der erste Li2S-GeS2-P2S, wobei das System entdeckt von Professor Kanno Tokyo Institute of Technology, die chemische Zusammensetzung der Li4-xGe1-xPxS4, bei Raumtemperatur ionische Leitfähigkeit von bis zu 2,2 x10-3S / cm (wobei x = 0,75), und die Elektronenleitfähigkeit vernachlässigbar. thio-LISICON chemische Formel Li4-xGe1-xPxS4 (a = Ge, Si, usw., B = P, A1, Zn, etc.).
Sulfide Glas und Glaskeramik-Festelektrolyten
Glassy Elektrolytkörper, und ein Netzwerk wird typischerweise aus Li 2 S gebildet modifizierte P2S5, SiS2, B2S3 Netzwerk von anderen Systemen hauptsächlich Li2S-P2S5, Li 2 S-SiS 2, Li 2 S-B2S3, einen breiten Zusammensetzungsbereich, hohe Raumtemperatur ionische Leitfähigkeit aufweisen, während mit hohe thermische Stabilität, gute Sicherheitsleistung, breite elektrochemische Stabilitätsfenster (bis oben zu 5 V) die Eigenschaften der hohen Leistung und hohen und niedrigen Temperaturen Festkörperbatterien prominent Vorteil ist das große Potential der Festkörperbatterie Elektrolytmaterialien.
Professor TATSUMISAGO Präfektur Osaka Universität Forschung Li2S-P2S5 Elektrolyt in der Vorderkantenposition, sie zuerst Li2S-P2S5 Glashochtemperaturbehandlung findet es ist eine teilweise kristallisiertes Glaskeramik, in der Glasmatrix die kristalline Phase, so dass der Elektrolyt abgeschieden zu bilden die Leitfähigkeit wird wesentlich verbessert.
All-Solid-State-Batterieelektrodenmaterial
Obwohl der Festelektrolyt und die Schnittstellenseite Elektrodenmaterial Reaktionen wesentliche Zersetzung des Festelektrolyten nicht vorhanden ist, aber die Feststoffeigenschaften, so daß die Elektrode / Elektrolyt-Grenzfläche Kompatibilität schlecht ist, zu ernst den Ionentransport der Grenzflächenimpedanz zu beeinflussen, was zu einem geringen Lebensdauer der Festkörperbatterie die Differenz zwischen Ratenleistung Weiterhin kann die Energiedichte, um die Anforderungen für eine große Batterie-Elektrodenmaterialforschung nicht treffen auf zwei Aspekte im Vordergrund: die eine ist die Schnittstelle und Elektrodenmaterial zu modifizieren, die Elektrode / Elektrolyt Grenzflächenkompatibilität zu verbessern; Zweitens verbessert die Entwicklung von neuen Elektrodenmaterialien, wodurch die Leistungsfähigkeit eines Festkörper-elektrochemischen Zelle.
Kathodenmaterial
Normalerweise wird alles feste Batterie einer positive Elektrode Verbundelektrode verwendet wird, zusätzlich zu dem aktiven Elektrodenmaterial ferner einen festen Elektrolyten und ein leitfähiges Mittel, spielt die Rolle beim Transport von Ionen und Elektronen in der Elektrode. LiCoO2, LiFePO4, LiMn2O4 positive Elektrode Oxid, wie Anwendungen in allen-Festkörperbatterie mehr gemeinsam.
Wenn der Elektrolyt ein Sulfid ist, da die Differenz zwischen dem größeren chemischen Potential, zog eine positive Elektrode aus einem Oxid von Li + viel stärker als Sulfid Elektrolyt, in einer großen Anzahl von Li + resultierenden bewegt sich in der positiven Elektrode, wobei die Lithium-verarmte Elektrolyt-Grenzfläche.
Wenn die positive Elektrode ein Oxidionenleiter, die positive Elektrode ist, wird auch auf die Raumladungsschicht gebildet werden, aber wenn der positiven Pol gemischte Leiter (beispielsweise LiCoO2 beiden Ionenleiter und dergleichen, sondern auch elektronischer Leiter), wird die Li & spplus; -Konzentration in dem Oxid mit einem elektronisch leitenden, Raum verdünnt Ladungsschicht verschwindet, dann Sulfid Elektrolyt Li + an positiver Elektrode wird wieder bewegt wird, wird die Raumladungsschicht im Elektrolyten weiter erhöht, was zu einem sehr großen Grenzflächenimpedanz Batterieleistung beeinträchtigen.
Zwischen der positiven Elektrode und dem Elektrolyt erhöht mich nur ionenleitende Oxidschicht, wirksam die Erzeugung von Raumladungsschicht unterdrücken kann, Grenzflächenwiderstand verringern. Darüber hinaus kann die Ionenleitfähigkeit des positiven Elektrodenmaterials selbst, das die Batterieleistung optimiert werden, zu verbessern, um den Zweck, die Energiedichte zu verbessern.
Um die Energiedichte und die elektrochemische Leistung von Festkörperbatterien weiter zu verbessern, erforschen und entwickeln die Menschen aktiv neue positive Hochenergieelektroden, einschließlich hochkapazitiver ternärer positiver Materialien und 5V-Hochspannungsmaterialien.
Typische Vertreter ternärer Materialien sind LiNi1-x-yCoxMnO2 (NCM) und LiNi1-x-yCoxA1yO2 (NCA), beide mit einer geschichteten Struktur, und die theoretische spezifische Kapazität ist hoch.
Verglichen mit Spinell LiMn2O4 hat 5V Spinell LiNi0.5Mn1.5O4 eine höhere Entladungs-Plattformspannung (4.7V) und Ratenleistung, so dass es ein starkes Kandidatenmaterial für den positiven Pol aller Festkörperbatterie wird.
Zusätzlich zu der positiven Oxidelektrode stellt die positive Sulfidelektrode auch einen wichtigen Teil des Kathodenmaterials für Festkörperbatterien dar. Solche Materialien haben im allgemeinen eine hohe theoretische spezifische Kapazität, einige Male oder sogar eine Grßenordnung höher als die positive Oxidelektrode. Die Elektrolytanpassung verursacht aufgrund des ähnlichen chemischen Potentials keinen ernsthaften Raumladungseffekt, die resultierende Festkörperbatterie soll eine hohe Kapazität und eine lange Lebensdauer der tatsächlichen Wochenanforderungen erreichen.
Die feste positive Grenzfläche zwischen der positiven Sulfidelektrode und dem Elektrolyten weist jedoch immer noch Probleme hinsichtlich eines schlechten Kontakts, einer hohen Impedanz und des Fehlens eines Ladens und Entladens auf.
Anodenmaterial
Metall Li Anodenmaterial
Wegen seiner hohen Kapazität und des geringen Potentials werden die Vorteile von Festkörperbatterien zum wichtigsten Anodenmaterial, jedoch wird das Metall Li im Zyklus dort Lithium-Dendriten sein, die nicht nur für die Einbettung / aus der Menge der Lithiumreduktion mehr verfügbar machen Im Ernst, es wird Sicherheitsprobleme wie Kurzschluss verursachen.
Das Metall Li ist sehr aktiv, reagieren leicht mit Sauerstoff in der Luft und Feuchtigkeit auftritt, und das feuerfeste Metall Li ist nicht, schwierig zu montieren und Batterieanwendungen. Lithium und anderen Metallen hinzugefügt, um die Zusammensetzung der Legierung wird die primäre Methode zur Lösung des obigen Problems einer dieser Legierungen haben im allgemeinen hohe theoretische Kapazität, und durch die Zugabe von anderen aktiven Metalllithiummetall verringert wird, um das Auftreten von Nebenreaktionen effektiv steuern kann und die elektrochemische Erzeugung von Lithiumdendrit und so zur Stabilität der Grenzfläche beitragen. Lithium-Legierungen sind der allgemeinen Formel LixM, wobei M in sein kann, B, Al, Ga, Sn, Si, Ge, Pb, As, Bi, Sb, Cu, Ag, Zn und dergleichen.
Jedoch gibt es einige offensichtliche Defekte in der negativen Elektrode der Lithiumlegierung, hauptsächlich aufgrund der großen Volumenänderung der Elektrode während des Zyklus, ernsthaften Versagens der Elektrode aufgrund von Pulverbildung und wesentlicher Abnahme der Zyklusleistung. Da Lithium immer noch das elektrodenaktive Material ist, Sicherheitsrisiken bestehen weiterhin.
Gegenwärtig umfassen die Wege zur Verbesserung dieser Probleme die Synthese neuer Legierungsmaterialien, die Herstellung eines ultrafeinen Nano-Legierungs- und Verbundlegierungssystems (wie Aktivität / Nicht-Aktivität, Aktivität / Reinheit, Kohlenstoff-basierte Zusammensetzung und poröse Struktur) und so weiter.
Anodenmaterial der Kohlenstofffamilie
Die kohlenstoffbasierten, siliziumbasierten und zinnbasierten Materialien der Kohlenstoffgruppe sind ein weiteres wichtiges negatives Elektrodenmaterial für Festkörperbatterien. Kohlenstoffbasierte Materialien werden typischerweise durch graphitische Materialien repräsentiert, die eine Schichtstruktur aufweisen, die für Lithiumioneninterkalation und Delaminierung geeignet ist. gute Spannungsplattform, Ladungs-Entladungs-Effizienz von über 90%, aber die theoretische Kapazität ist niedrig (nur 372mAh / g) ist der größte Nachteil dieser Materialien, und die praktische Anwendung des Stromes hat im wesentlichen theoretische Grenzen erreicht hat, kann die hohe Energiedichte nicht erfüllen muss.
Vor kurzem Graphen, Kohlenstoff-Nanoröhrchen als neues Kohlenstoff-Nanokohlenstoffmaterial auf dem Markt, die Batteriekapazität kann, bevor sie 2-3 mal erweitert werden.
Oxid-Anodenmaterialien
Einschließlich Metalloxide, Metall Oxidbasis Verbundoxiden und anderen typischen negativen Elektrodenmaterialien ohne Feuerwerk :. TiO2, MoO2, In2O3, Al2O3, Cu2O, VO2, SnOx, SiOx, Ga2O3, Sb2O5, BIO5 usw. Diese Oxide habe eine hohe theoretische spezifische Kapazität, aber im Laufe der Verschiebung von dem einzelnen Metalloxide, wird eine große Menge an Li verbraucht, großen Kapazitätsverlust verursacht, und der Zyklus wird durch eine große Volumenänderung begleitet, was zu einem Ausfall der Batterie, Dieses Problem kann durch die Zusammensetzung mit Kohlenstoff-basierten Material verbessert werden.
Schlussfolgerung
Die wahrscheinlichste aller Festkörper- Lithiumionenbatterie umfasst PEO basierende Polymerelektrolyten zu einem Festelektrolytmaterial aufgebracht werden, einen NASICON-Typ-Elektrolyten und garnet Oxid, Sulfid Elektrolyten.
In der Elektrode, zusätzlich zu dem traditionellen Übergangsmetalloxid positive Elektrode metallisches Lithium, eine Graphit negativen Elektrode, der positiven Bereich hoher Leistung, sind wir ständig ein negatives Elektrodenmaterial, umfassend eine positive Elektrode ein Oxid mit hoher Spannung und hoher Kapazität positive Elektrode Sulfid, eine gute Stabilität der Entwicklung die Verbundanode und so weiter.
Aber es gibt immer noch Probleme gelöst werden:
1) die Leitfähigkeit des PEO-basierten Polymer-Elektrolyten ist immer noch gering, was zu einer schlechten Batteriesatz und Tieftemperaturleistung, und weitere Kompatibilität mit einer positiven Hochspannungsdifferenz, die einem hohe elektrische Leitfähigkeit und hohen Druck werden, um neue Polymerelektrolyten entwickelt;
2) Um eine hohe Energiespeicher-Langlebigkeit der Festkörperbatterie zu realisieren, ist die Entwicklung neuer hoch energetischer und hochstabiler positiver und negativer Materialien unerlässlich.Die beste Kombination und Sicherheit von hochenergetischem Elektrodenmaterial und Festelektrolyten muss bestätigt werden.
3) Die Elektrode / Elektrolyt-Fest-Fest-Schnittstelle in der Festkörperbatterie war immer ein ernstes Problem, einschließlich der Schnittstellenimpedanz ist groß, die Grenzflächenstabilität ist schlecht, die Grenzflächenspannungsänderungen, die direkt die Leistungsfähigkeit der Batterie beeinflussen.
Obwohl es viele Probleme gibt, insgesamt sind alle Festkörperbatterie Entwicklungsperspektiven sehr hell, in der Zukunft, die bestehende Lithium-Ionen-Batterie zu ersetzen, um die Mainstream-Energiespeicher-Energie ist der Trend.
