Toepassingsvoordelen van vaste elektrolyt

Vaste elektrolyt is een trend in de ontwikkeling van elektrolyten van lithiumbatterijen in de toekomst, omdat de technologie van vaste elektrolytbatterijen zich tot op de dag van vandaag heeft ontwikkeld. Technisch gezien kunnen vaste elektrolyten worden onderverdeeld in oxide-elektrolyten, sulfide-elektrolyten, organische polymeer-elektrolyten en LiPON-elektrolyten. Men kan stellen dat het relatief volwassen is, maar het is ook op een bottleneck gestuit. De geboorte van een nieuwe generatie technologie is dringend nodig, vooral op het gebied van nieuwe energie. Solid-state batterijen zullen naar verwachting de meest aantrekkelijke worden onder de volgende generatie stroombatterijtechnologieën. Omdat all-solid-state batterijen niet alleen een relatief hoge technologische maturiteit hebben, beschouwen veel binnenlandse en buitenlandse lithium-ion-batterijbedrijven ook de all-solid-state batterijtechnologie als een belangrijke technologiereserve van de volgende generatie.

In de vroege ontwikkeling van solid-state batterijtechnologie lag de focus van onderzoek en ontwikkeling vooral op het verbeteren van de geleidbaarheid van vaste elektrolyten, vanwege de relatief lage geleidbaarheid van vaste elektrolytmaterialen. Daarom hebben vaste sulfide-elektrolyten en vaste oxide-elektrolyten met een hoge ionengeleidbaarheid een breed scala aan aandacht getrokken.

All-solid-state lithium-ionbatterijen gebruiken vaste elektrolyten in plaats van traditionele organische vloeibare elektrolyten, die de veiligheidsproblemen van batterijen goed kunnen oplossen en ideale chemische energiebronnen zijn voor elektrische voertuigen en grootschalige energieopslag. De sleutel is om vaste elektrolyten te bereiden met geleidbaarheid bij hoge kamertemperatuur en elektrochemische stabiliteit, evenals hoogenergetische elektrodematerialen die geschikt zijn voor alle vaste lithium-ionbatterijen, en om de compatibiliteit van de elektrode / vaste elektrolyt-interface te verbeteren.

Solid-state lithiumbatterijen zijn ontwikkeld op basis van lithiumbatterijen. In vergelijking met traditionele lithiumbatterijen gebruiken ze voornamelijk geen vloeistof of gel meer als geleidend materiaal tussen de positieve en negatieve elektroden, wat de veiligheid van de auto en het vermogen om hoge temperaturen te weerstaan ​​aanzienlijk verbetert. . Het heeft de voordelen van hoge veiligheid, hoge energiedichtheid, lange levensduur en een breed temperatuurbereik, waarvan de kern de vaste elektrolyt is.

Oxide vaste elektrolyten kunnen worden onderverdeeld in kristallijn en glasachtig (amorf) volgens de materiaalstructuur. Kristallijne elektrolyten zijn onder meer het type perovskiet, het type NASICON, het type LISICON en het type granaat, enz. De glasachtige oxide-elektrolyt De hotspot voor onderzoek is de elektrolyt van het LiPON-type dat wordt gebruikt in dunne-filmbatterijen.

De oxide kristallijne vaste elektrolyt heeft een hoge chemische stabiliteit en kan stabiel in de atmosfeer voorkomen, wat gunstig is voor de grootschalige productie van all-solid-state batterijen. De onderzoeksfocus is het verbeteren van de ionische geleidbaarheid bij kamertemperatuur en de compatibiliteit met elektroden. Momenteel zijn de methoden om de geleidbaarheid te verbeteren voornamelijk het vervangen van elementen en het doteren van heterovalente elementen, en compatibiliteit met elektroden is ook een belangrijke kwestie die de toepassing ervan beperkt.

De meest typische sulfide kristallijne vaste elektrolyt is thio-LISICON, die voor het eerst werd ontdekt door professor KANNO van het Tokyo Institute of Technology in het Li2S-GeS2-P2S-systeem. De chemische samenstelling is Li4-xGe1-xPxS4 en het ionengeleidingsvermogen bij kamertemperatuur is zo hoog als 2,2 x 10. -3S / cm (waarbij x=0,75), en de elektronische geleidbaarheid kan worden genegeerd. De algemene chemische formule van thio-LISICON is Li4-xGe1-xPxS4 (A=Ge, Si, etc., B=P, Al, Zn, etc.).

De vaste elektrolyt van sulfideglas is meestal samengesteld uit P2S5, SiS2, B2S3 en andere netwerkvormers en netwerkmodificator Li2S. Het systeem omvat voornamelijk Li2S-P2S5, Li2S-SiS2, Li2S-B2S3. De samenstelling heeft een breed variatiebereik, ionengeleidbaarheid bij hoge kamertemperatuur, hoge thermische stabiliteit, goede veiligheidsprestaties en een breed elektrochemisch stabiliteitsvenster (tot 5V). Het heeft uitstekende voordelen in vaste-stofbatterijen met een hoog vermogen en hoge lage temperatuur en heeft een groot potentieel voor elektrolytische materialen in vaste-toestandbatterijen.

De vaste polymeerelektrolyt is samengesteld uit een polymeermatrix (zoals polyester, polymerase en polyamine, enz.) En lithiumzout (zoals LiClO4, LiAsF4, LiPF6, LiBF4, enz.), Vanwege zijn lichte gewicht, goede visco-elasticiteit en uitstekende mechanische verwerkingsprestaties en andere kenmerken hebben brede aandacht gekregen.

Veel voorkomende SPE's zijn polyethyleenoxide (PEO), polyacrylonitril (PAN), polyvinylideenfluoride (PVDF), polymethylmethacrylaat (PMMA), polypropyleenoxide (PPO), polyvinylideenchloride (PVDC) en enkel-ion polymeer elektrolyt systemen.

Momenteel is de reguliere SPE-matrix nog steeds de eerste voorgestelde PEO en zijn derivaten, voornamelijk vanwege de stabiliteit van PEO ten opzichte van metaallithium en het vermogen om lithiumzouten beter te dissociëren.

De LiPON-elektrolyt wordt gemaakt door het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) in de Verenigde Staten. De elektrolytfilm van lithiumfosforoxynitride (LiPON) werd vervaardigd door het sputteren van een hoogzuiver Li3P04-doelwit met behulp van een radiofrequentie-magnetronverstuivingsinrichting in een stikstofatmosfeer van hoge zuiverheid.

Het is duidelijk dat het materiaal uitstekende uitgebreide prestaties heeft, de ionische geleidbaarheid bij kamertemperatuur is 2,3 × 10-6S / cm, het elektrochemische venster is 5,5 V (http://vs.Li/Li+), de thermische stabiliteit is goed , en Positieve elektroden zoals LiCoO2, LiMn2O4, en negatieve elektroden zoals lithiummetaal en lithiumlegering hebben een goede compatibiliteit. De ionische geleidbaarheid van de LiPON-film hangt af van de amorfe structuur en het N-gehalte in het filmmateriaal. De verhoging van het N-gehalte kan de ionengeleidbaarheid verbeteren.