리튬 배터리 애플리케이션을위한 고체 그래프트 공중 합체 전해질
Summary
리튬 이온 배터리는 주위 온도 응용 프로그램에 적합 가연성 및 휘발성 유기 전해질을 사용합니다. 유기 전해질에 대한 안전한 대안은 솔리드 폴리머 배터리입니다. 고체 고분자 전지 따라서 이러한 깊은 석유 시추 및 하이브리드 전기 자동차와 같은 고온 응용 프로그램들을 적용하고, 높은 온도 (> 120 ° C)에서 안전하게 작동합니다. 이 문서는 (a) 고분자 합성, (B) 고분자 전도 메커니즘, 그리고 (c) 고체 고분자 유기 전해질 모두 온도 사이클을 제공에 대해 설명합니다.
Abstract
배터리 안전 지난 10 년간 매우 중요한 연구 분야이다. 상업적으로 이용 가능한 리튬 이온 배터리는 낮은 인화점 인화성 (<80 ℃) 및 휘발성 유기 전해질을 사용합니다. 이러한 유기 기반의 전해질 시스템은 주위 온도에서 생존하지만, 그 온도가 80 ° C를 초과하지 않도록 보장하기 위해 냉각 시스템이 필요 이러한 냉각 시스템은 배터리 비용을 증가시키는 경향이 배터리 고장 및 폭발로 이어질 수 오작동, 따라서 인간의 생명을 위협 할 수 있습니다. 석유 가격의 상승은 유가 상승이 지속적으로 운영하는 경제적이다 안전, 전기 하이브리드 차량을위한 거대한 수요로 이어집니다. 리튬 이온 전지에 사용되는 기존의 유기 기반의 전해질이 고온 자동차 애플리케이션에 적용되지 않습니다. 유기 전해질에 대한 안전한 대안은 고체 고분자 전해질이다. 이 작품은 이식 공중 합체 전해질 (GCE) 폴리 (O의 합성을 강조 할 것xyethylene) 낮은 유리 전이 온도 (T g) 폴리 (옥시 에틸렌) 아크릴 레이트 (POEA)의 블록 메타 크릴 레이트 (POEM). 전도 메커니즘이 논의되었습니다 그리고 그것은 고분자 분절 운동 및 이온 전도도의 관계가 실제로 보글 – Tammann-펄쳐 (VTF) 의존성을 가지고 입증되었습니다. 상업적으로 이용 가능한 LP30 유기 (에틸렌 카보네이트의 LiPF 6 (EC) : 1:1의 비율로 디메틸 카보네이트 (DMC))를 포함하는 배터리와 GCE는 주위 온도에서 순환했다. 그것은 LP30 전해질에 비해 상온에서, GCE가 포함 된 건전지가 큰 과전압을 보였다 것으로 나타났습니다. 그러나 60 ° C보다 높은 온도에서, GCE 셀은 빠른 고분자 전해질 전도도로 인해 훨씬 낮은 과전압 전시 및 170 MAH / g의 거의 완전한 이론적 특정 용량에 액세스했습니다.
Introduction
리튬 (리튬)은 높은 전기 금속 (표준 수소 전극을 기준으로 -3.04 V), 그리고 가벼운 금속 (6.94 g / 몰 당량 및 0.53 g / cm 3의 비중)입니다. 이 휴대용 에너지 저장 장치의 음극 이상적인있는 활성 물질에 대한 선택으로는 매력적인 만드는 곳 크기와 무게 문제. 그림 1은 리튬 기반 배터리 (리튬 이온, PLiON 및 리튬 금속) 높은 에너지 밀도를 가지고 납 축전지, 니켈 카드뮴, 니켈 – 금속 수소 전지 1보다.
전체 리튬 이온 전지는 음극 (긍정적), 양극 (음수), 전해질 및 분리 (그림 2)로 구성되어 있습니다. 음극과 양극이 모두 리튬 이온 넣다 또는 (양극 탄소 경우, 리 중립 리튬으로 intercalates) 가역적 드 넣다 수 있습니다 층간 화합물이다. 전해질 이온 전도 및 단열 전기를 제공전극 사이의 NIC 전도. 구분 기호는 단락에서 두 개의 전극을 유지하기 위해 이온 투과하지만, 기계적 강성이다. 세포가 완전히 충전 된 상태에있을 때 리 모두는 양극에 협재 있으며, 셀이 완전 방전 상태에있을 때 리튬 이온의 모든 음극에 협재되어 있습니다. 자발적인 반응하는 동안, 전원 장치에 외부 회로를 통해 양극에서 음극 전자의 흐름을 방전 전해질을 통해 양극에서 음극 이온 흐름 동안. 음극의 이온과 전자의 재결합 인원이 중립성을 유지합니다. 충전시의 흐름이 반전됩니다.
그들은 대부분 수십 년 동안 동일한 남아있다 전해질의 에너지 배터리의 밀도보다를 결정하기 때문에 가장 최신 리튬 이온 배터리 개발은 음극 재료에 초점을 맞추고있다. 이 impedan로 인해 전체 전력 성능 영향을 미치기 때문에 전해질 전지의 핵심 부분입니다전해질 자체를 통해와 전극 전해질 인터페이스 모두에서 CE.
리튬 이온 배터리에 사용되는 전해질은 일반적으로 유형 LIX 및 비 수성 용매의 염으로 구성되어 있습니다. 다른 전기 시스템에 사용되는 수성 전해질에 비해 리튬 이온 전해질의 단점은 낮은 전도성, 높은 비용, 가연성, 환경 문제입니다. 장점 ° C ~ 300 ° C, 넓은 전압 창 (최대 5 V 대 리튬 / 리튬 +) 및 전극 더 나은 호환성 (수성 전해질 것 -150의 넓은 온도 범위 (하는 동안 전해질은 액체 유지)를 포함 리튬 금속과 형태에 LiOH와 수소) 2, 3, 4-6과 격렬하게 반응합니다.
배터리에 사용되는 주요 비 수성 전해액 유기 카보네이트 기반의 액체, 고분자, 이온 성 액체, 및 세라믹 있습니다. 이 전해질은 실제 리튬 이온 batteri에 사용되는 특정 기준을 충족해야에스. 그들은 적어도 10 MS / cm의 큰 전기 창 (고전압 음극 용> 4.5 V), 낮은 증기압, 좋은 열 및 화학적 안정성, 낮은 독성 및 낮은 비용의 전도성이 (가) 있습니다. 이러한 전기 자동차와 같은 특정 엄격한 애플리케이션의 경우,이 벤치 마크의 모든 60 ° C. -20 ° C에서 일반적으로 넓은 온도 범위에서 충족되어야합니다 이 작품의 초점은 유기 및 고분자 전해질에 있기 때문에,이 문서의 나머지 부분에서는 이러한 전해질에 초점을 맞출 것이다.
탄산 기반의 전해질은 유기 용매에 용해 리튬 염으로 구성되어 있습니다. 그러나, 요구 사항을 모두 충족하는 용매 하나에 대한 어렵습니다. 예를 들어, 에틸렌 카보네이트 (EC)와 프로필렌 카보네이트 (PC) 등의 낮은 증기압을 가진 용매는 전도성을 낮출 선도, 높은 점도를 가지고하는 경향이있다. 또한 EC는 상온에서 고체이며,이는 다른 용매와 결합해야합니다. 일반적으로 전해질여러 가지 용매의 조합입니다. 일반 솔벤트와 그 물리적 특성의 일부는 표 1에 나열되어 있습니다.
| 이름 | 녹는 온도 (° C) | 끓는 온도 (° C) | 점도 (MPA *들) |
| 디메틸 카보네이트 (DMC) | 4.6 | 90 | 0.5902 (25 ° C) |
| 디 에틸 카보네이트 (DEC) | -43 | 126.8 | 0.7529 (25 ° C) |
| 에틸렌 카보네이트 (EC) | 36.5 | 238 | 1.9 (40 ° C) |
| 프로필렌 카보네이트 (PC) | -54.53 | 242 | 2.512 (25 ° C) |
표 1. 일반적인 탄산 용제 7.
ORGA에 안전한 대체NIC 전해질은 고분자 전해질을 기반으로하고 있습니다. 고분자 전해질 박막, 비 휘발성, 불연성, 그리고 유연성이 그들을 압연 및 대형 상업 규모에 인쇄 할 수 있습니다. 라이트, 1973 년 등. 폴리 최초로 시연 이온 전도 (에틸렌 옥사이드) 소금 단지 (PEO). 그것은 나중에 액체 전해질의 리튬 금속 덴 드라이트 성장과 관련된 안전 문제가 돌기 8-17의 성장을 억제 PEO 기반의 고체 고분자 전해질을 사용하여 해결 될 수 있다는 것을 발견 하였다. (1) 용제 건조 고체 고분자, (2) 겔 전해질, 그리고 우리의 작업에 사용되는 용제 건조 합성 (3) 가소 고분자 : 고분자 전해질의 세 가지 주요 유형이 있습니다.
이 논문은 () 용제 건조 고분자 합성, (B) 고분자 전도 메커니즘, 그리고 (c) 고체 고분자 유기 전해질 모두 온도 사이클을 제공에 대해 설명합니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
LiFePO 4 / GCE / 리 커브는 충전과 방전 모두 LiFePO 4 / LP30/Li 곡선보다 큰 과전압을 보여줍니다. GCE는 전해질과 바인더로 모두 사용하고 있기 때문에, 이온 전도는 음극 입자의 모든 제공, 거의 전체 실제 특정 용량 (150 MAH / G)가 접근했다합니다. 그것은 실내 온도에서 낮은 LiFePO 4 입자 내에서의 리튬 확산에 의해 제한되어 있기 때문에 170 MAH / g의 이론적 특정 용량은 달성되지 ?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
저자는 재정 지원을 제공하는 웨더 국제 감사드립니다.
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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