انتظار میرود باتری با استفاده از الکترولیت جامد به جای الکترولیت مایع مایع سنتی، باتریهای لیتیوم یونی حالت جامد، به طور اساسی حل مشکل ایمنی باتری، وسایل الکتریکی و ذخیره انرژی ایده آل انرژی ذخیره سازی شیمیایی در مقیاس بزرگ را فراهم کند.
نقاط کلیدی شامل تهیه الکترولیت جامد با هدایت الکتریکی با درجه حرارت اتاق و پایداری الکتروشیمیایی و مواد الکترود با انرژی بالا مناسب برای باتری های لیتیوم یونی جامد حالت جامد برای سازگاری رابط الکترولیت / الکترولیت جامد.
ساختار باتری لیتیوم یون حالت جامد، از جمله مثبت، الکترولیت، منفی، همه ساخته شده از مواد جامد، در مقایسه با باتری های لیتیوم یون الکترولیت سنتی دارای مزایای زیر است:
① مشکلات ایمنی بالقوه خوردگی و نشت الکترولیت را به طور کامل از بین می برد، پایداری حرارتی بالاتری دارد.
② بسته مایع است که لازم نیست، ترتیب و ساختار دوقطبی سریال سوار، بهبود بهره وری تولید؛
③ به علت ویژگی های حالت جامد الکترولیت جامد، شما می توانید چندین الکترود را به هم بزنید؛
الکتروشیمیایی پایدار پنجره گسترده (تا 5V)، می تواند مواد الکترود ولتاژ بالا مطابقت؛
⑤ الکترولیت جامد به طور کلی یک هادی یونی است، تقریبا بدون عوارض جانبی، عمر طولانی تر.
الکترولیت جامد
الکترولیت جامد پلیمر
پلیمر الکترولیت جامد (به SPE)، متشکل از یک ماتریس پلیمری (به عنوان مثال، پلی استر، آنزیم پلی آمین و پلی اتیلن و مانند آن) و نمک لیتیوم (به عنوان مثال، LiClO4، LiAsF4، LiPF6، LiBF4، و غیره)، به دلیل وزن سبک تر خود، ویسکوالاستیک خوب، پردازش مکانیکی و دیگر ویژگی های عالی و توجه فراوان دریافت شده است.
امروز، مشترک SPE شامل اکسید پلی اتیلن (PEO)، پلی اکریلو نیتریل (PAN)، فلوراید پلی (PVDF)، پلی متیل متاکریلات (PMMA)، اکسید پلی پروپیلن (PPO)، پلی کلرید با vinylidene (PVDC)، و سایر سیستم های یک الکترولیت پلیمری یونی میگردد.
در حال حاضر، بستر جریان اصلی باقی می ماند SPE برای اولین بار PEO و مشتقات ارائه آن، عمدتا به دلیل PEO و لیتیوم فلز را می توان بهتر تثبیت نمک لیتیوم جدا.
با این حال، از آنجا که جامد الکترولیت پلیمری انتقال یون در درجه اول در منطقه آمورف رخ می دهد، و تبلور بالا در دمای اتاق اصلاح نشده PEO، و در نتیجه هدایت یونی پایین تر، جدی تحت تاثیر قابلیت شارژ و دشارژ فعلی بزرگ است.
محققان بهبود یافته با استفاده از روش کاهش تبلور ظرفیت ورزش بخش PEO، که موجب افزایش هدایت از سیستم، یکی از روش ساده ترین و موثر برای ماتریس پلیمر درمان ترکیبی از ذرات معدنی است.
مطالعه حاضر پرکننده های معدنی بیشتر شامل MgO و Al2O3، SiO2 نوع و اکسید فلزی نانو ذرات زئولیت، مونتموریلونیت، با اضافه کردن این ذرات معدنی اختلال منظم بخش ماتریس پلیمری، تبلور آن را کاهش می دهد ، تعامل بین پلیمر، نمک لیتیوم و ذرات معدنی را افزایش می دهد به کانال انتقال یون لیتیوم، به منظور بهبود هدایت و تعداد حمل و نقل یون. پرکننده های معدنی نیز ممکن است به عنوان ناخالصیهای (به عنوان مثال، رطوبت) پیچیده جذب در الکترولیت، به بهبود عملکرد نقش خواص مکانیکی.
برای بهبود عملکرد، برخی از محققان نوع جدیدی از پرکننده، در جایی که خود مونتاژ یک یون فلز واسطه و یک سایت اشباع زنجیره ارتباط لیگاند آلی (معمولا سفت و سخت) به صورت یک چهارچوب فلزی آلی (MOF) به دلیل متخلخل آن را توسعه داده اند و ثبات و توجه بالا.
الکترولیت جامد اکسید
ساختار با توجه اکسید مواد الکترولیت جامد را می توان به کریستالی و شیشه ای دسته (آمورف)، در جایی که الکترولیت شامل یک نوع پروسکایت کریستالی، یک نوع NASICON، نوع LISICON و گارنت مانند، الکترولیت اکسید شیشه تقسیم تمرکز پژوهش باتری الکترولیت فیلم LiPON است.
الکترولیت جامد بلورین اکسید
اکسید بلورهای الکترولیت جامد پایداری شیمیایی بالا، پایدار می تواند در فضای محیط در حال حاضر، تولید در مقیاس بزرگ در حمایت از باتری تمام جامد، تمرکز پژوهش حاضر به بهبود سازگاری از هر دو دما و هدایت یونی الکترود. روش های فعلی برای بهبود هدایت الکتریکی و جایگزینی عنصر aliovalent دوپینگ اصلی. علاوه بر این، سازگاری با الکترود به یک مسئله مهم محدودیت که برنامه است.
الکترولیت LiPON
در سال 1992، آزمایشگاه ملی اوک ریج (ORNL) در یک اتمسفر نیتروژن با خلوص بالا با استفاده از یک هدف را با کندوپاش RF مگنترون در دستگاه کندوپاش آماده برای به دست آوردن خلوص بالا Li3P04 oxynitride لیتیوم فسفر (از LiPON) غشاء الکترولیت.
این مواد دارای عملکرد عالی کلی، دمای اتاق هدایت یونی 2.3x10-6S / سانتی متر، پنجره الکتروشیمیایی 5.5V (vs.Li/Li+)، پایداری حرارتی خوب، و با LiCoO2، LiMn2O4 مثبت الکترود و فلز لیتیوم، و غیره ، آلیاژ لیتیوم الکترود منفی سازگاری عالی. LiPON اندازه فیلم بستگی به محتوای هدایت یونی از مواد فیلم و ساختار آمورف از محتوای N، N ممکن است افزایش یابد به منظور بهبود هدایت یونی میگردد.
به طور گسترده ای بر این باور بودند، LiPON تمام حالت جامد-باتری فیلم نازک از مواد الکترولیت استاندارد است، و تا به تجاری شده است.
با این وجود، در عین حال، کنترل ترکیبات نازک فیلم و کنترل میزان کم شدن میزان رسوب آن بسیار دشوار است، بنابراین محققان سعی می کنند از روش های دیگر برای تهیه فیلم های نازک لیپن مانند پودر ليزر تبخیر پرتو الکترون و اشعه یون کمک تبخیر تبخیر حرارتی و مانند آن.
علاوه بر تغییرات در روش های آماده سازی، محققان برای جایگزینی و روش های جایگزینی جزئی، برای آماده سازی انواع الکترولیت های آمورف نوع LiPON با خواص برتر مورد استفاده قرار می گیرند.
الکترولیت جامد بلورین سولفید
معمول ترین الکترولیت جامد بلورین سولفید-thio-LISICON، اولین Li2S-GeS2-P2S، سیستم کشف شده توسط استاد KANNO موسسه تکنولوژی توکیو، ترکیب شیمیایی شکل Li4-xGe1-xPxS4، دمای اتاق هدایت یونی تا 2.2 است x10-3S / سانتی متر (که در آن x = 0.75)، و هدایت الکترونی قابل اغماض است. فرمول شیمیایی thio-LISICON شکل Li4-xGe1-xPxS4 (A = جنرال الکتریک، سی، و غیره، B = P، A1، مس، روی، و غیره).
شیشه ای سولفید و شیشه و سرامیک الکترولیت جامد
بدن الکترولیت شیشه ای، و یک شبکه معمولا از Li2S اصلاح شده تشکیل P2S5، SiS2، شبکه B2S3 از سیستم های دیگر به طور عمده شامل Li2S-P2S5، Li2S-SiS2، Li2S-B2S3، طیف گسترده ای ترکیب، دمای اتاق بالا هدایت یونی، در حالی که داشتن استحکام حرارتی بالا، عملکرد ایمنی خوب، گسترده پنجره ثبات الکتروشیمیایی (تا 5V بالا) ویژگی های توان بالا و دمای بالا و پایین باتری حالت جامد مزیت برجسته پتانسیل زیادی از مواد الکترولیت باتری حالت جامد است.
الکترولیت تحقیقات استاد دانشگاه TATSUMISAGO استان اوساکا Li2S-P2S5 در موقعیت لبه، آنها در ابتدا پیدا Li2S-P2S5 شیشه ای درمان با درجه حرارت بالا آن است تا حدی متبلور به شکل یک سرامیک شیشه ای، سپرده در ماتریس شیشه ای فاز کریستالی به طوری که الکترولیت هدایت به میزان قابل توجهی بهبود یافته است.
تمام مواد الکترودهای باتری حالت جامد
اگر چه الکترولیت جامد و مواد الکترود واکنش های جانبی رابط قابل ملاحظه تجزیه الکترولیت جامد وجود ندارد، اما خواص جامد به طوری که سازگاری الکترود / رابط الکترولیت ضعیف است، بیش از حد جدی تحت تاثیر قرار حمل و نقل یون امپدانس سطحی، منجر به چرخه عمر کم باتری حالت جامد ، تفاوت بین عملکرد بیشتر نرخ بهره، چگالی انرژی می تواند الزامات مورد نیاز برای یک باتری بزرگ تحقیقات مواد الکترود با تمرکز بر دو جنبه را برآورده نمی: یکی اصلاح رابط و الکترود مواد، بهبود الکترود / الکترولیت سازگاری سطحی؛ دوم، توسعه مواد الکترود جدید، در نتیجه بیشتر افزایش عملکرد حالت سلول های الکتروشیمیایی جامد.
مواد کاتد
باتری معمولا همه حالت جامد با استفاده از یک الکترود کامپوزیت الکترود مثبت، علاوه بر مواد فعال الکترود بیشتر شامل الکترولیت جامد و یک عامل رسانا، بازی در نقش در حمل و نقل یون ها و الکترون در الکترود. LiCoO2، LiFePO4، LiMn2O4 اکسید الکترود مثبت چنین برنامه های کاربردی در تمام حالت جامد باتری بیشتر رایج است.
هنگامی که الکترولیت سولفید است، چرا که تفاوت بین پتانسیل شیمیایی بزرگتر، یک الکترود مثبت از یک اکسید لی + بسیار قوی تر جذب از الکترولیت سولفید، در تعداد زیادی از لی + نتیجه حرکت می کند به الکترود مثبت، رابط الکترولیت-لیتیوم تخلیه شده است.
اگر الکترود مثبت یک هادی یون اکسید است، الکترود مثبت نیز در لایه مسئول فضای تشکیل می شود، اما اگر قطب مثبت هادی مخلوط (به عنوان مثال، LiCoO2 هر دو هادی یون و مانند آن، بلکه هادی الکترونیکی)، غلظت لی + در اکسید با الکترونیکی رسانا، فضای رقیق لایه مسئول ناپدید می شوند، پس از آن سولفید الکترولیت لی + در الکترود مثبت است دوباره رفت، لایه مسئول فضا در الکترولیت بیشتر افزایش یابد، در امپدانس بسیار بزرگ سطحی حاصل عملکرد باتری تاثیر می گذارد.
بین الکترود مثبت و لایه اکسید الکترولیت افزایش می دهد فقط یونی رسانای، به طور موثر می تواند سرکوب نسل لایه فضا بار، کاهش مقاومت سطحی. علاوه بر این، به منظور بهبود هدایت یونی از مواد الکترود مثبت خود، عملکرد باتری را می توان بهینه سازی شده، به منظور بهبود چگالی انرژی.
به منظور بهبود بیشتر چگالی انرژی و خواص الکتروشیمیایی باتری های حالت جامد، آن را نیز تحقیق و توسعه از جدید بالا انرژی مثبت، از جمله ظرفیت بالا مواد الکترود مثبت و مواد سه گانه 5V ولتاژ بالا فعال است.
مواد سه گانه معمولی است LiNi1-X-yCoxMnyO2 (مکتب کلاسیک جدید)، و LiNi1-X-yCoxA1yO2 (NCA)، دارای یک ساختار لایه لایه، و ظرفیت خاص نظری بالا.
در مقایسه با LiMn2O4 یاقوت سرخ، یاقوت سرخ 5V LiNi0.5Mn1.5O4 داشتن ولتاژ بالاتر تخلیه فلات (4.7V) و قابلیت نرخ، و بنابراین تبدیل به یک نامزد قدرتمند برای همه حالت جامد باتری الکترود مثبت.
علاوه بر الکترود اکسید مثبت، سولفید الکترود مثبت نیز بخش مهمی از باتری مواد الکترود مثبت همه حالت جامد هستند، مانند مواد به طور کلی یک بالا نظری ظرفیت خاص چندین بار و یا حتی منظور از قدر بالاتر از اکسید کاتد با حالت جامد سولفید عالی هدایت وقتی بازی الکترولیت، از پتانسیل شیمیایی مشابه، اثرات جدی از لایه مسئول فضای ایجاد نمی کند، همه حالت جامد باتری به دست آمده جامد است انتظار می رود برای رسیدن به ظرفیت بالا و عمر طولانی مورد نیاز محیطی.
با این حال، رابط مثبت جامد بین الکترود مثبت سولفید و الکترولیت هنوز مشکلی با تماس ضعیف، امپدانس بالا و قادر به شارژ و تخلیه است.
مواد انود
ماده لیتیوم لیتیوم لیتیوم
از آنجا که از مزایای استفاده از ظرفیت بالا و پتانسیل کم برای تبدیل شدن به یکی از مهم تر از همه باتری حالت جامد مواد الکترود منفی، با این حال، لی دندریت فلز لیتیم در طی دوچرخه سواری تولید، نه تنها برای کبیسه را / د کاهش مقدار لیتیوم، و بیشتر به طور جدی ایجاد یک اتصال کوتاه و دیگر مسائل مربوط به ایمنی.
این فلز لی روش اصلی برای حل مشکل بالا بسیار فعال است، به راحتی با اکسیژن موجود در هوا واکنش نشان می دهند و رطوبت رخ می دهد، و فلز دیر گداز لی است، دشوار به جمع آوری و برنامه های کاربردی باتری لیتیوم و سایر فلزات به ترکیب آلیاژ اضافه شده است یکی از این آلیاژ به طور کلی دارای ظرفیت نظری بالا، و علاوه بر این از دیگر فعال فلز فلز لیتیم کاهش است، می توانید به طور موثر کنترل از وقوع واکنش های جانبی و نسل الکتروشیمیایی دندریت لیتیوم، در نتیجه به ثبات رابط کمک می کنند. فرمول کلی آلیاژهای لیتیوم LixM است که M می تواند در In، B، Al، Ga، Sn، Si، Ge، Pb، As، Bi، Sb، Cu، Ag، Zn و غیره باشد.
با این حال، یک آلیاژ لیتیوم الکترود منفی، برخی از اشکالاتی آشکار، بزرگ به طور عمده تغییر حجم الکترود در طی دوچرخه سواری، در موارد شدید می تواند به صورت پودر قطره الکترود قابل توجهی از شکست، ویژگی های چرخه منجر شود، و از سال لیتیوم است که هنوز مواد فعال الکترود، مربوط به خطرات امنیتی هنوز هم وجود دارد.
در حال حاضر، روش این مشکلات می تواند بهبود یافته شامل سنتز از مواد آلیاژ جدید، آلیاژ و نانو کامپوزیت سیستم ریز آلیاژ (به عنوان مثال، فعال / غیر فعال، فعال / تمیز کردن، و یک ساختار کامپوزیت مبتنی بر کربن متخلخل).
کربن معطر مواد الکترود منفی
گروه تولیدی از کربن، سیلیکون و مواد مبتنی بر قلع یکی دیگر از مهم همه حالت جامد باتری مواد الکترود منفی است. بر اساس کربن مواد مبتنی بر گرافیت به عنوان یک نماینده معمولی، مناسب برای کربن گرافیتی داشتن یک ساختار لایه لایه، و یونهای لیتیوم بیرون می آید، داشتن پلت فرم ولتاژ خوب، راندمان شارژ تخلیه بالاتر از 90 درصد، با این حال، ظرفیت نظری کم (فقط 372mAh / گرم) بزرگترین ضعف این مواد است، و برنامه های عملی از جریان قابل ملاحظه ای رسیده محدودیت های نظری، می توانید چگالی انرژی بالا برآورده نمی تقاضا
به تازگی نانو کربن مانند گرافن و نانولوله های کربنی به عنوان انواع جدیدی از مواد کربن موجود در بازار ظاهر شده است که امکان افزایش ظرفیت باتری را 2-3 برابر می کند.
مواد آند آنزیم اکسید
از جمله اکسیدهای فلزی، فلز اکسید کامپوزیت مبتنی بر اکسید و سایر مواد الکترود منفی معمولی بدون آتش بازی :. TiO2 به، MoO2، In2O3 و Al2O3، Cu2O، VO2، SnOx، SIOX، Ga2O3، Sb2O5، BiO5 و غیره، این اکسیدهای ظرفیت خاص نظری بالا است، اما در این دوره از جابجایی از اکسیدهای فلزی واحد، مقدار زیادی از لی مصرف می شود، باعث از دست دادن بزرگ از ظرفیت، و چرخه همراه با تغییر حجم بزرگ، منجر به شکست از باتری، این مشکل را می توان با ترکیب مواد با کربن بهبود بخشید.
نتیجه گیری
به احتمال زیاد به یک ماده الکترولیت جامد استفاده شود تمام باتری لیتیوم یون حالت جامد شامل الکترولیت پلیمر بر اساس PEO، اکسید الکترولیت NASICON نوع و گارنت، الکترولیت سولفید.
در الکترود، علاوه بر اکسید فلزات واسطه الکترود سنتی مثبت، لیتیوم فلزی، یک الکترود گرافیت منفی، محدوده مثبت از عملکرد بالا، ما دائما در حال توسعه یک ماده الکترود منفی، یک الکترود مثبت متشکل از اکسید با ولتاژ بالا، با ظرفیت بالا الکترود مثبت سولفید، ثبات خوب است منفی کامپوزیت و غیره.
اما مشکلاتی وجود دارد که باید حل شوند:
1) هدایت الکترولیت پلیمری بر اساس PEO-هنوز هم کم است، در نتیجه میزان ضعیف باتری و عملکرد در دمای پایین، و سازگاری بیشتر با یک تفاوت ولتاژ بالا مثبت، داشتن هدایت الکتریکی بالا و فشار بالا به توسعه الکترولیت پلیمری رمان؛
2) برای تحقق بخشیدن به عمر طولانی مدت باتری باطری جامد، انرژی های با انرژی بالا و ثبات بالا، مواد مغذی مثبت و منفی ضروری است. بهترین ترکیب و ایمنی مواد الکترود با انرژی بالا و الکترولیت جامد باید تایید شود.
3) رابط الکترود جامد جامد جامد جامد در باتری جامد حالت همیشه یک مشکل جدی است، از جمله امپدانس رابط بزرگ است، ثبات رابط است ضعیف است، تغییر استرس رابط، که به طور مستقیم بر عملکرد باتری تاثیر می گذارد.
اگر چه مشکلات زیادی وجود دارد، به طور کلی، چشم انداز توسعه باتری تمام جامد حالت بسیار روشن است، در آینده برای جایگزینی باتری لیتیوم یون موجود برای تبدیل شدن به جریان اصلی ذخیره انرژی قدرت روند است.
