Summary

लिथियम बैटरी अनुप्रयोगों के लिए ठोस राज्य भ्रष्टाचार Copolymer इलेक्ट्रोलाइट्स

Published: August 12, 2013
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Summary

लिथियम आयन बैटरी के परिवेश के तापमान अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त हैं कि ज्वलनशील और वाष्पशील कार्बनिक इलेक्ट्रोलाइट्स को रोजगार. जैविक इलेक्ट्रोलाइट्स के लिए एक सुरक्षित विकल्प ठोस बहुलक बैटरी रहे हैं. ठोस बहुलक बैटरी इस प्रकार ऐसी गहरी तेल की ड्रिलिंग और संकर बिजली के वाहनों के रूप में उच्च तापमान अनुप्रयोगों के लिए उन्हें लागू कर रही है, उच्च तापमान (> 120 डिग्री सेल्सियस) पर सुरक्षित रूप से कार्य करते हैं. इस पत्र (एक) बहुलक संश्लेषण, (ख) बहुलक चालन तंत्र, और (ग) ठोस बहुलक और जैविक इलेक्ट्रोलाइट्स दोनों के लिए तापमान साइकिल उपलब्ध कराने पर चर्चा करेंगे.

Abstract

बैटरी सुरक्षा पिछले एक दशक में एक बहुत ही महत्वपूर्ण अनुसंधान के क्षेत्र में किया गया है. व्यावसायिक रूप से उपलब्ध लिथियम आयन बैटरी कम फ़्लैश बिंदु, ज्वलनशील (<डिग्री सेल्सियस 80), और वाष्पशील कार्बनिक इलेक्ट्रोलाइट्स को रोजगार. ये जैविक आधारित इलेक्ट्रोलाइट प्रणालियों परिवेश तापमान पर व्यवहार्य हैं, लेकिन लगता है कि तापमान 80 डिग्री सेल्सियस से अधिक नहीं है सुनिश्चित करने के लिए एक शीतलन प्रणाली की आवश्यकता ये शीतलन प्रणाली बैटरी लागत में वृद्धि करते हैं और बैटरी की खराबी और विस्फोट करने के लिए नेतृत्व कर सकते हैं जो खराबी, इस प्रकार मानव जीवन को खतरे में डाल सकता है. पेट्रोलियम उत्पादों की कीमतों में वृद्धि तेल की कीमतों में वृद्धि जारी है के रूप में संचालित करने के लिए और अधिक आर्थिक रूप से व्यवहार्य हैं कि सुरक्षित, इलेक्ट्रिक हाइब्रिड वाहनों के लिए एक भारी मांग पैदा होती हैं. लिथियम आयन बैटरी में इस्तेमाल मौजूदा जैविक आधारित इलेक्ट्रोलाइट्स उच्च तापमान ऑटोमोटिव अनुप्रयोगों के लिए लागू नहीं कर रहे हैं. जैविक इलेक्ट्रोलाइट्स के लिए एक सुरक्षित विकल्प ठोस बहुलक इलेक्ट्रोलाइट्स है. यह काम एक भ्रष्टाचार copolymer के इलेक्ट्रोलाइट (GCE) पाली (ओ के लिए संश्लेषण पर प्रकाश डाला जाएगाxyethylene) एक कम ग्लास संक्रमण के तापमान (टी जी) पाली (oxyethylene) acrylate (POEA) के साथ एक ब्लॉक को methacrylate (कविता). चालन तंत्र चर्चा की गई है और यह बहुलक कमानी गति और ईओण चालकता के बीच रिश्ता वास्तव में एक वोगल-Tammann-Fulcher (VTF) निर्भरता है का प्रदर्शन किया गया. व्यावसायिक रूप से उपलब्ध LP30 जैविक (इथाइलीन कार्बोनेट में LiPF 6 (ईसी): एक 1:1 के अनुपात में डाइमिथाइल कार्बोनेट (डीएमसी)) युक्त बैटरियों और GCE परिवेश के तापमान पर साइकिल थे. यह LP30 इलेक्ट्रोलाइट की तुलना में जब परिवेश के तापमान पर, GCE युक्त बैटरियों का एक बड़ा overpotential से पता चला है कि पाया गया था. हालांकि 60 से अधिक तापमान डिग्री सेल्सियस पर, GCE सेल तेजी बहुलक इलेक्ट्रोलाइट चालकता के कारण बहुत कम overpotential प्रदर्शन किया और 170 महिंद्रा / जी की लगभग पूरी सैद्धांतिक विशिष्ट क्षमता तक पहुँचा था.

Introduction

लिथियम (ली) एक अत्यधिक विद्युत धातु (मानक हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड के सापेक्ष -3.04 वी), और lightest धातु (6.94 छ / mol के बराबर वजन और 0.53 ग्राम / 3 सेमी की स्पेसिफिक ग्रेविटी) है. इस पोर्टेबल ऊर्जा भंडारण उपकरणों के लिए नकारात्मक इलेक्ट्रोड और आदर्श में सक्रिय सामग्री के लिए एक विकल्प के रूप में इसे आकर्षक बनाता है जहां आकार और वजन बात. चित्रा 1 से पता चलता लिथियम आधारित बैटरी (ली आयन, PLiON, और ली धातु) उच्च ऊर्जा घनत्व है कि नेतृत्व एसिड, निकल कैडमियम, और निकल धातु hydride बैटरी की तुलना में 1.

एक पूर्ण लिथियम आयन बैटरी एक कैथोड (सकारात्मक), एक anode (नकारात्मक), एक इलेक्ट्रोलाइट, और एक विभाजक (चित्रा 2) के होते हैं. कैथोड और anode दोनों ली आयनों intercalate या (एनोड कार्बन है, अगर ली तटस्थ ली के रूप में intercalates) reversibly डे intercalate सकते हैं जहां मध्यनिवेश यौगिकों हैं. इलेक्ट्रोलाइट आयनिक चालन और insulates विद्युत प्रदान करता हैइलेक्ट्रोड के बीच एनआईसी चालन. विभाजक shorting से दो इलेक्ट्रोड रखने के आयनों के लिए पारगम्य, लेकिन यंत्रवत् कठोर है. सेल एक पूरी तरह से चार्ज स्थिति में है जब ली की सभी एनोड में intercalated गया है, और सेल एक पूरी तरह से छुट्टी दे दी स्थिति में है जब ली आयनों के सभी कैथोड में intercalated रहे हैं. सहज प्रतिक्रिया के दौरान, बिजली के एक उपकरण के लिए एक बाहरी सर्किट के माध्यम से एनोड से कैथोड इलेक्ट्रॉनों प्रवाह निर्वहन इलेक्ट्रोलाइट के माध्यम से कैथोड को anode से आयनों के प्रवाह करते हुए. कैथोड पर आयनों और इलेक्ट्रॉनों recombine के प्रभारी तटस्थता बनाए रखने के लिए. चार्ज होने पर, प्रवाह उलट है.

वे ज्यादातर दशकों के लिए ही बनी हुई है, जो इलेक्ट्रोलाइट, पर ऊर्जा बैटरी के घनत्व के बजाय निर्धारित क्योंकि तारीख को हाल ली आयन बैटरी विकास कैथोड सामग्री पर ध्यान केंद्रित किया है. यह impedan की वजह से कुल बिजली क्षमता को प्रभावित करता है के बाद से इलेक्ट्रोलाइट बैटरी का एक महत्वपूर्ण टुकड़ा हैइलेक्ट्रोलाइट के माध्यम से ही और इलेक्ट्रोड इलेक्ट्रोलाइट इंटरफेस पर दोनों CE.

ली आयन बैटरी में प्रयोग किया जाता इलेक्ट्रोलाइट आमतौर प्रकार LiX और एक गैर जलीय विलायक के एक नमक के होते हैं. अन्य विद्युत प्रणालियों में इस्तेमाल जलीय इलेक्ट्रोलाइट्स की तुलना में, ली आयन इलेक्ट्रोलाइट्स का नुकसान कम चालकता, उच्च लागत, ज्वलनशीलता, और पर्यावरणीय समस्याएं हैं. लाभ डिग्री सेल्सियस 300 डिग्री सेल्सियस, एक व्यापक वोल्टेज खिड़की (5 वी बनाम ली / ली), और इलेक्ट्रोड के साथ बेहतर संगतता (जलीय इलेक्ट्रोलाइट होगा -150 से एक व्यापक तापमान रेंज (जिस पर इलेक्ट्रोलाइट एक तरल रहता है) शामिल ली धातु और फार्म LiOH और हाइड्रोजन) 2, 3, 4-6 के साथ हिंसक प्रतिक्रिया.

बैटरी में इस्तेमाल गैर जलीय इलेक्ट्रोलाइट्स जैविक कार्बोनेट आधारित तरल पदार्थ, पॉलिमर, ईओण का तरल पदार्थ, और मिट्टी के पात्र में शामिल हैं. ये इलेक्ट्रोलाइट्स व्यावहारिक ली आयन बैटरी में प्रयोग की जाने वाली कुछ मानक को पूरा करने की जरूरत हैतों. वे कम से कम 10 एमएस / सेमी, एक बड़े विद्युत खिड़की (उच्च वोल्टेज कैथोड के लिए> 4.5 वी), कम वाष्प दबाव, अच्छा थर्मल और रासायनिक स्थिरता, कम विषाक्तता, और कम लागत के एक चालकता शामिल हैं. जैसे बिजली के वाहनों के रूप में कुछ कड़े अनुप्रयोगों के लिए, इन मानकों के सभी 60 डिग्री सेल्सियस के लिए -20 डिग्री सेल्सियस से आम तौर पर, एक व्यापक तापमान रेंज पर मुलाकात होगी इस काम का ध्यान जैविक और बहुलक इलेक्ट्रोलाइट्स पर है, इस पत्र के शेष इन इलेक्ट्रोलाइट्स पर ध्यान दिया जाएगा.

कार्बोनेट आधारित इलेक्ट्रोलाइट्स एक कार्बनिक विलायक में भंग एक लिथियम नमक से मिलकर बनता है. हालांकि, यह सभी आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए विलायक किसी एक के लिए मुश्किल है. उदाहरण के लिए, ऐसे इथाइलीन कार्बोनेट (ईसी) और propylene कार्बोनेट (पीसी) के रूप में कम वाष्प दबाव, साथ विलायकों, चालकता कम करने के लिए अग्रणी, उच्च viscosities के हो जाते हैं. इसके अलावा चुनाव आयोग के कमरे के तापमान पर एक ठोस है, यह है कि यह एक और विलायक के साथ जोड़ा जा करने की आवश्यकता है. आम तौर पर इलेक्ट्रोलाइटकई विलायकों का एक संयोजन है. आम सॉल्वैंट्स और उनके भौतिक गुणों में से कुछ 1 टेबल में सूचीबद्ध हैं.

नाम पिघलने तापमान (डिग्री सेल्सियस) उबलते तापमान (डिग्री सेल्सियस) चिपचिपापन (एमपीए * ओं)
डाइमिथाइल कार्बोनेट (डीएमसी) 4.6 90 0.5902 (25 डिग्री सेल्सियस)
Diethyl कार्बोनेट (डीईसी) -43 126.8 0.7529 (25 डिग्री सेल्सियस)
ईथीलीन कार्बोनेट (ईसी) 36.5 238 1.9 (40 डिग्री सेल्सियस)
Propylene कार्बोनेट (पीसी) -54.53 242 2.512 (25 डिग्री सेल्सियस)

तालिका 1. आम कार्बोनेट सॉल्वैंट्स 7.

संगठनों के लिए सुरक्षित विकल्पोंएनआईसी इलेक्ट्रोलाइट्स बहुलक इलेक्ट्रोलाइट्स आधारित हैं. पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट्स पतली फिल्मों, गैर अस्थिर गैर ज्वलनशील, और उनके लचीलेपन उन्हें लुढ़का और एक बड़े व्यावसायिक पैमाने पर मुद्रित करने की अनुमति देता है. राइट, 1973 में एट अल. पाली में पहला प्रदर्शन आयन चालन (ethylene ऑक्साइड) नमक परिसरों (पीईओ). यह बाद में तरल इलेक्ट्रोलाइट में ली धातु पर dendrite विकास के साथ जुड़े सुरक्षा चिंता डेन्ड्राइट 8-17 के विकास को दबा दिया जो पीईओ आधारित ठोस बहुलक इलेक्ट्रोलाइट, का उपयोग करके हल किया जा सकता है की खोज की थी. (1) विलायक मुक्त सूखी ठोस बहुलक, (2) जेल इलेक्ट्रोलाइट्स, और हमारे काम में इस्तेमाल एक विलायक मुक्त शुष्क संश्लेषण के साथ (3) plasticized बहुलक, बहुलक इलेक्ट्रोलाइट्स के तीन मुख्य प्रकार हैं.

इस पत्र (एक) विलायक मुक्त सूखी बहुलक संश्लेषण, (ख) बहुलक चालन तंत्र, और (ग) ठोस बहुलक और जैविक इलेक्ट्रोलाइट्स दोनों के लिए तापमान साइकिल उपलब्ध कराने पर चर्चा करेंगे.

Protocol

1. भ्रष्टाचार Copolymer संश्लेषण 18-19 कविता की 26 मिलीलीटर (या POEA) मोनोमर (चित्रा 3) के मिश्रण से एक मुफ्त कट्टरपंथी polymerization के दृष्टिकोण का उपयोग कर भ्रष्टाचार सहपॉलिमरों (कविता-जी PDMS और 70:30 वजन अनुपात मे?…

Representative Results

कमरे के तापमान सेल साइकिल चालन प्रदर्शन 8 चित्रा में दिखाया गया है. बाएं साजिश 15 पर पारंपरिक तरल इलेक्ट्रोलाइट (LP30) के साथ कोशिकाओं के प्रभारी और छुट्टी प्रोफाइल को पता चलता मा / छ, और 10 पर GCE / बांधने क?…

Discussion

LiFePO 4 / GCE / ली घटता प्रभारी और छुट्टी दोनों पर LiFePO 4 / LP30/Li घटता से अधिक overpotential दिखा. GCE इलेक्ट्रोलाइट और बांधने की मशीन के रूप में दोनों का इस्तेमाल किया जाता है, आयन चालन कैथोड कणों के सभी के लिए प्रदान की ज?…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

लेखकों को वित्तीय सहायता प्रदान करने के लिए वेदरफोर्ड अंतर्राष्ट्रीय धन्यवाद देना चाहूंगा.

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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Citar este artigo
Hu, Q., Caputo, A., Sadoway, D. R. Solid-state Graft Copolymer Electrolytes for Lithium Battery Applications. J. Vis. Exp. (78), e50067, doi:10.3791/50067 (2013).

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