Solid-State-Graft Copolymer Elektrolyte für Lithium-Batterie-Anwendungen
Summary
Lithium-Ionen-Batterien verwenden brennbare und flüchtige organische Elektrolyte, die für Umgebungstemperatur Anwendungen sind. Eine sicherere Alternative zu organischen Elektrolyte sind feste Polymer-Batterien. Solide Polymer-Batterien betrieben werden sicher bei hohen Temperaturen (> 120 ° C), wodurch sie für Hochtemperatur-Anwendungen wie tiefe Ölbohrungen und Hybridfahrzeuge. Dieses Papier wird zu diskutieren (a) das Polymer Synthese, (b) das Polymer Leitungsmechanismus, und (c) bieten Temperaturwechsel sowohl für feste Polymer und organischen Elektrolyten.
Abstract
Akkusicherheit war ein sehr wichtiges Forschungsgebiet in der letzten Dekade. Im Handel erhältliche Lithium-Ionen-Batterien verwenden niedrigen Flammpunkt (<80 ° C), brennbare und flüchtige organische Elektrolyte. Diese organischen Elektrolyten auf Systeme sind bei Umgebungstemperaturen lebensfähigen, aber gekühlt werden müssen, um sicherzustellen, dass die Temperaturen nicht über 80 ° C. Diese Kühlsysteme eher Batterie Kosten erhöhen und Fehlfunktionen, die Fehlfunktion der Batterie und Explosionen führen können, damit menschliches Leben gefährden. Erhöht der Erdölpreise führen zu einer großen Nachfrage nach sicheren, Elektro-Hybrid-Fahrzeuge, die mehr wirtschaftlich zu betreiben, da die Ölpreise weiter steigen werden. Bestehende organischer Basis Elektrolyte in Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden, sind nicht für hohe Temperaturen in Automobil-Anwendungen. Eine sicherere Alternative zu organischen Elektrolyten ist Festpolymerelektrolyte. Diese Arbeit beleuchtet die Synthese eines Pfropfcopolymerisats Elektrolyten (GCE) Poly (oxyethylene) Methacrylat (POEM) zu einem Block mit einer niedrigeren Glasübergangstemperatur (T g) Poly (oxyethylen) Acrylat (POEA). Die Leitung Mechanismus diskutiert worden, und es hat sich gezeigt, das Verhältnis zwischen Polymer und Segmentbewegung Ionenleitfähigkeit tatsächlich eine Vogel-Tammanns-Fulcher (VTF) abhängig. Batterien, die im Handel erhältlich LP30 organischen (LiPF6 in Ethylencarbonat (EC): Dimethylcarbonat (DMC) im Verhältnis 1:1) und GCE waren bei Raumtemperatur gefahren. Es wurde festgestellt, dass bei Raumtemperatur, die Batterien enthalten GCE eine größere Überspannung zeigte, wenn sie LP30 Elektrolyten verglichen. Jedoch bei Temperaturen über 60 ° C, zeigte die Zelle GCE viel niedriger Überspannung durch schnelle Polymer-Elektrolyt-Leitfähigkeit und nahezu das gesamte theoretische spezifische Kapazität von 170 mAh / g wurde abgerufen.
Introduction
Lithium (Li) ist ein sehr elektropositiven Metall (-3.04 V relativ zur Standard-Wasserstoff-Elektrode) und das leichteste Metall (Äquivalentgewicht von 6,94 g / mol und relative Dichte von 0,53 g / cm 3). Dies macht es attraktiv als eine Wahl für das aktive Material in der negativen Elektrode und ideal für tragbare Energiespeicher denen Größe und Gewicht Materie. Abbildung 1 zeigt, dass Lithium-Batterien (Li-Ion, plion und Li-Metall) eine höhere Energiedichte haben als Blei-Säure-, Nickel-Cadmium und Nickel-Metall-Hydrid-Batterien 1.
Eine vollständige Lithium-Ionen-Batterie besteht aus einer Kathode (positive), eine Anode (negative), einen Elektrolyten und einen Separator (2). Sowohl die Kathode und die Anode sind Einlagerungsverbindungen, wobei Li-Ionen einlagern oder reversibel de-interkaliert (wenn die Anode aus Kohlenstoff, interkaliert Li als neutrale Li). Der Elektrolyt bietet Ionenleitung und isoliert electronic Leitung zwischen den Elektroden. Der Separator ist für Ionen durchlässig, aber mechanisch starr mit den beiden Elektroden einen Kurzschluss zu halten. Wenn sich die Zelle in einem voll geladenen Zustand alle Li hat in der Anode interkaliert, und wenn die Zelle in einen vollständig entladenen Zustand alle Li-Ionen in der Kathode interkaliert. Während der spontanen Reaktion Entladen Elektronen fließen von der Anode zu der Kathode durch einen äußeren Stromkreis zum Antrieb eines Gerätes, während die Ionen fließen von der Anode zu der Kathode durch den Elektrolyten. Die Ionen und Elektronen an der Kathode rekombinieren zu erhalten Ladungsausgleich. Beim Laden ist der Ablauf umgekehrt.
Die meisten Lithium-Ionen-Batterie-Entwicklung bis heute auf Kathodenmaterialien konzentriert, weil sie die Energiedichte der Batterie anstatt auf den Elektrolyten, die meist gleich geblieben seit Jahrzehnten bestimmen. Der Elektrolyt ist ein Kernstück der Batterie, da es die allgemeine Leistungsfähigkeit aufgrund impedan wirktce sowohl durch den Elektrolyten selbst und an den Elektroden-Elektrolyt-Schnittstellen.
Der Elektrolyt in Li-Ionen-Batterien in der Regel aus einem Salz des Typs LiX und einem nicht-wässrigen Lösungsmittel. Im Vergleich zu den wässrigen Elektrolyten in anderen elektrochemischen Systemen verwendet werden, sind die Nachteile von Li-Ionen-Elektrolyte niedriger Leitfähigkeit, höhere Kosten, Entflammbarkeit und Umweltprobleme. Vorteile umfassen einen weiten Temperaturbereich (über dem der Elektrolyt eine Flüssigkeit bleibt) von -150 ° C bis 300 ° C, eine große Spannung Fenster (bis zu 5 V gegen Li / Li +) und eine bessere Kompatibilität mit Elektroden (wässrigen Elektrolyten würde reagieren heftig mit Li-Metall und Form LiOH und Wasserstoff) 2, 3, 4-6.
Die wichtigsten nicht-wässrigen Elektrolyten in Batterien verwendet werden, umfassen organische Carbonat-basierende Flüssigkeiten, Polymere, ionische Flüssigkeiten und Keramik. Diese Elektrolyte müssen bestimmte Vorgaben erfüllen, um in der Praxis Li-Ionen-Bat verwendet werdenes. Sie verfügen über eine Leitfähigkeit von mindestens 10 mS / cm, eine große elektrochemische Fenster (> 4,5 V für Hochspannung Kathoden), niedriger Dampfdruck, gute thermische und chemische Stabilität, geringe Toxizität und niedrige Kosten. Für bestimmte Anwendungen streng wie die Elektrofahrzeuge, müssen all diese Vorgaben über einen weiten Temperaturbereich eingehalten werden, typischerweise von -20 ° C bis 60 ° C. Da der Fokus dieser Arbeit ist auf organische und polymere Elektrolyte, wird der Rest dieses Papier auf diesen Elektrolyten konzentrieren.
Carbonat Elektrolyte bestehen aus einem Lithiumsalz in einem organischen Lösungsmittel gelöst. Jedoch ist es für ein Lösungsmittel, um alle Anforderungen zu erfüllen schwierig. Beispielsweise Lösungsmittel mit niedrigem Dampfdruck, wie Ethylencarbonat (EC) und Propylencarbonat (PC), in der Regel höhere Viskositäten aufweisen, was zu niedrigeren Leitfähigkeit. Auch EC ist ein bei Raumtemperatur festes, das fordert, dass sie mit einem anderen Lösungsmittel kombiniert werden. Im Allgemeinen wird das Elektrolytist eine Kombination aus mehreren Lösungsmitteln. Die gängigen Lösungsmitteln und einige ihrer physikalischen Eigenschaften sind in Tabelle 1 aufgelistet.
| Name | Schmelztemperatur (° C) | Boiling Temperatur (° C) | Viskosität (mPa * s) |
| Dimethylcarbonat (DMC) | 4.6 | 90 | 0.5902 (25 ° C) |
| Diethylcarbonat (DEC) | -43 | 126,8 | 0.7529 (25 ° C) |
| Ethylencarbonat (EC) | 36.5 | 238 | 1.9 (40 ° C) |
| Propylencarbonat (PC) | -54,53 | 242 | 2.512 (25 ° C) |
Tabelle 1. Gemeinsame Carbonatlösungsmittel 7.
Safer Stellvertreter organic Elektrolyte Polymer Elektrolyte basiert. Polymer Elektrolyte Dünnschichten, nichtflüchtigen, nicht brennbar, und ihrer Flexibilität zu walzenden und ausgedruckt werden auf einem großen kommerziellen Maßstab. Wright, et al. Erstmals gezeigt werden Ionenleitung in Poly (ethylenoxid)-Komplexe (PEO) 1973. Es wurde später entdeckt, dass die Sicherheitsbedenken mit Dendritenwachstum auf Li-Metall in flüssigem Elektrolyt verbunden mit PEO-basierten festen Polymer-Elektrolyten, die das Wachstum von Dendriten 8-17 unterdrückt werden konnte gelöst werden. Es gibt drei Haupttypen von Polymer Elektrolyte: (1) lösemittelfrei trockenen festen Polymer, (2) Gel Elektrolyte, und (3) Weich-Polymer, mit einem lösungsmittelfreien trockenen Synthese in unserer Arbeit verwendet.
Dieses Papier wird zu diskutieren (a) das Lösungsmittel frei trockene Polymer-Synthese, (b) das Polymer Leitungsmechanismus, und (c) bieten Temperaturwechsel sowohl für feste Polymer und organischen Elektrolyten.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die LiFePO 4 / GCE / Li Kurven zeigen größer als die Überspannung LiFePO 4 / LP30/Li Kurven sowohl auf Ladung und Entladung. Da die GCE sowohl als Elektrolyt und Bindemittel verwendet wird, wird die Ionenleitung zu allen Kathode Teilchen vorgesehen ist und nahezu der gesamte praktische spezifische Kapazität (150 mAh / g) zugänglich war. Die theoretische spezifische Kapazität von 170 mAh / g nicht erreicht wird, da es eine Lithium-Diffusion im LiFePO 4-Partikel, die niedrig ist, bei…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren bedanken sich bei Weatherford International für die finanzielle Unterstützung bedanken.
Materials
| Name of the reagent | Company | Catalogue number | Comments (optional) |
| 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 |
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