פיתוח יישומים של כל סוללות ליתיום דקיקות במצב מוצק

הפיתוח של מקורות כוח כימיים נע בכיוון של אנרגיה ספציפית גבוהה, חיים ארוכים ובטיחות גבוהה. סוללות ליתיום דקיקות מסוג כל מצב מוצק הפכו לסוג הפופולרי ביותר של סוללות ליתיום. סוללות ליתיום דקיקות עם מצב מוצק אורגני שלם, משתמשות באלקטרודות חיוביות ושליליות בעלות סרט דק ואלקטרוליטים מוצקים בעלי סרט דק. מורפולוגיית הסרט הדק של האלקטרוליט המוצק מאפשרת להחליף את האלקטרוליט הנוזלי באלקטרוליט מוצק עם מוליכות יונית נמוכה יותר. מורפולוגיית הסרטים הדקים של האלקטרודות החיוביות והשליליות מאפשרת ליישם חומרים חיוביים ושליליים רבים עם שינויים גדולים בנפח הטעינה והפריקה, כגון ליתיום מתכתי וסיליקון סרט דק. יחד עם זאת, בגלל המורפולוגיה של הסרט הדק של סוללות ליתיום בעלות סרט דק, קל לעבד אותן לסוללות בגודל מיקרון, ואף לחקור עוד יותר סוללות בגודל ננו. לכן, סוללות ליתיום בעלות סרט דק לא רק הפכו למוקד המחקר של מקורות כוח כימיים מהדור הבא, אלא גם למחקר הבלתי נמנע על מיקרו סוללות. כיוון התפתחות.

כיווני המחקר הנוכחיים לסוללות ליתיום אור-אורגניות במצב מלא-מוצק מחולקים בעיקר ל: (1) מחקר ופיתוח מבני סוללות חדשים, שיפור קיבולת הסוללה ליחידת שטח וכוח פריקה, ופתרון הבעיה של שטח יחידה נמוך. קיבולת ועוצמה של סוללות ליתיום דקיקות: (2) מחקר על סוגים חדשים של אלקטרוליטים מוצקים עם מוליכות יונית גבוהה כדי לפתור את הבעיה של מוליכות יון ליתיום נמוכה באלקטרוליטים מוצקים אורגניים: (3) מחקר על סוגים חדשים של אלקטרודות חיוביות ושליליות. , כך שהאלקטרודות החיוביות והשליליות לאחר היווצרות הסרט יהיו טובות יותר

1. מחקר על המבנה של סוללות ליתיום דקיקות

סוללת הליתיום של הסרט הדק מאמצת מבנה למינציה קלאסי, שהוא פשוט במבנה וקל לעיבוד. עם זאת, על מנת לשפר עוד יותר את ביצועי הסוללה, המחקר על מבנה סוללת הליתיום של הסרט הדק גדל בהדרגה, במיוחד סוללת הליתיום של הסרט הדק המבנה הפכה למוקד מחקר בשל ציפיות הביצועים הטובות שלה. במבנה התלת-ממדי של סוללת הליתיום של הסרט הדק, זה דומה למבנה הנקבובי של סוללת התלת-ממד. סוג זה של סוללה מעובד עם מיקרופורוסים רבים המסודרים באופן קבוע על מצע הסיליקון, ושכבת מחסום הדיפוזיה Li מופקדת במיקרו-פורס, ואז הסיליקון משמש כאלקטרודה השלילית. LiPON הוא אלקטרוליט, LiCoO2 הוא האלקטרודה החיובית לייצור הסוללה.

2. מחקר על אלקטרוליט מוצק אורגני

לסוללות המשתמשות באלקטרוליטים מוצקים אורגניים יתרונות רבים על פני סוללות אלקטרוליטים, כמו יציבות אלקטרוכימית, יציבות תרמית, עמידות בפני זעזועים, עמידות בפני פגיעות, ללא בעיות דליפה וזיהום, ומזעור קל ויצירת סרט דק. אלקטרוליט מוצק אורגני טוב צריך להיות בעל המאפיינים הבאים: (1) מוליכות יון ליתיום גבוהה ומוליכות אלקטרונית כמעט זניחה בתוך מצב פעיל ליתיום וטווח טמפרטורת הסביבה; (2) עליו להיות יציב בתגובות אלקטרוכימיות, במיוחד הממשק במגע עם האלקטרודה השלילית של ליתיום או סגסוגת ליתיום; (3) על מנת להשתמש בו, האלקטרוליט המוצק חייב להיות ידידותי לסביבה, לא רעיל, בעלות נמוכה וקל להכנה, ועדיף שמקדם ההתרחבות התרמית יכול להיות עקבי עם האלקטרודות משני הצדדים, לפחות לא שונה מדי.

(1) אלקטרוליט אנאורגני גבישי

נכון לעכשיו, אלקטרוליטים אנאורגניים גבישיים הראו מוליכות יונית גבוהה בדוחות רבים, וניתן לחלק אותם לאלקטרוליטים מוצקים מסוג NASICON, סוג LISICON, סוג Thio-LISICON, סוג perovskite ומבנים אחרים. מבנה האלקטרוליט המוצק של NASICON הוא בדרך כלל M [A2B3O12]. למרות שלאלקטרוליט של NASICON יש מוליכות יונית גבוהה, המוצר T מופחת בקלות על ידי הליתיום המתכתי, וכתוצאה מכך נוצר מגע לא יציב עם הליתיום המתכתי.

ל- LISICON יש גם מוליכות יונית גבוהה. המבנה האופייני שלו הוא אלקטרודה מסוג Lisa.Zn1.GeO1sThio-LISl-CON לשיפור המוליכות היונית של האלקטרוליט. באלקטרוליט מסוג LISICON משתמשים בגופרית במקום חמצן, כגון Li2GeS3, Li4GeS4, Li2ZnGeS4 וחומרים חדשים אחרים, מוליכות היונים שלו יכולה להגיע ל -6.5 × 10-5S / cm.

כיווני המחקר הנוכחיים לסוללות ליתיום אור-אורגניות במצב מלא-מוצק מחולקים בעיקר ל: (1) מחקר ופיתוח מבני סוללות חדשים, שיפור קיבולת הסוללה ליחידת שטח וכוח פריקה, ופתרון הבעיה של שטח יחידה נמוך. קיבולת ועוצמה של סוללות ליתיום דקיקות: (2) מחקר על סוגים חדשים של אלקטרוליטים מוצקים עם מוליכות יונית גבוהה כדי לפתור את הבעיה של מוליכות יון ליתיום נמוכה באלקטרוליטים מוצקים אורגניים: (3) מחקר על סוגים חדשים של אלקטרודות חיוביות ושליליות. , כך שהאלקטרודות החיוביות והשליליות לאחר היווצרות הסרט יהיו טובות יותר

1. מחקר על המבנה של סוללות ליתיום דקיקות

סוללת הליתיום של הסרט הדק מאמצת מבנה למינציה קלאסי, שהוא פשוט במבנה וקל לעיבוד. עם זאת, על מנת לשפר עוד יותר את ביצועי הסוללה, המחקר על מבנה סוללת הליתיום של הסרט הדק גדל בהדרגה, במיוחד סוללת הליתיום של הסרט הדק המבנה הפכה למוקד מחקר בשל ציפיות הביצועים הטובות שלה. במבנה התלת-ממדי של סוללת הליתיום של הסרט הדק, זה דומה למבנה הנקבובי של סוללת התלת-ממד. סוג זה של סוללה מעובד עם מיקרופורוסים רבים המסודרים באופן קבוע על מצע הסיליקון, ושכבת מחסום הדיפוזיה Li מופקדת במיקרו-פורס, ואז הסיליקון משמש כאלקטרודה השלילית. LiPON הוא אלקטרוליט, LiCoO2 הוא האלקטרודה החיובית לייצור הסוללה.

2. מחקר על אלקטרוליט מוצק אורגני

לסוללות המשתמשות באלקטרוליטים מוצקים אורגניים יתרונות רבים על פני סוללות אלקטרוליטים, כמו יציבות אלקטרוכימית, יציבות תרמית, עמידות בפני זעזועים, עמידות בפני פגיעות, ללא בעיות דליפה וזיהום, ומזעור קל ויצירת סרט דק. אלקטרוליט מוצק אורגני טוב צריך להיות בעל המאפיינים הבאים: (1) מוליכות יון ליתיום גבוהה ומוליכות אלקטרונית כמעט זניחה בתוך מצב פעיל ליתיום וטווח טמפרטורת הסביבה; (2) עליו להיות יציב בתגובות אלקטרוכימיות, במיוחד הממשק במגע עם האלקטרודה השלילית של ליתיום או סגסוגת ליתיום; (3) על מנת להשתמש בו, האלקטרוליט המוצק חייב להיות ידידותי לסביבה, לא רעיל, בעלות נמוכה וקל להכנה, ועדיף שמקדם ההתרחבות התרמית יכול להיות עקבי עם האלקטרודות משני הצדדים, לפחות לא שונה מדי.

(1) אלקטרוליט אנאורגני גבישי

נכון לעכשיו, אלקטרוליטים אנאורגניים גבישיים הראו מוליכות יונית גבוהה בדוחות רבים, וניתן לחלק אותם לאלקטרוליטים מוצקים מסוג NASICON, סוג LISICON, סוג Thio-LISICON, סוג perovskite ומבנים אחרים. מבנה האלקטרוליט המוצק של NASICON הוא בדרך כלל M [A2B3O12]. למרות שלאלקטרוליט של NASICON יש מוליכות יונית גבוהה, המוצר T מופחת בקלות על ידי הליתיום המתכתי, וכתוצאה מכך נוצר מגע לא יציב עם הליתיום המתכתי.

ל- LISICON יש גם מוליכות יונית גבוהה. המבנה האופייני שלו הוא אלקטרודה מסוג Lisa.Zn1.GeO1sThio-LISl-CON לשיפור המוליכות היונית של האלקטרוליט. באלקטרוליט מסוג LISICON משתמשים בגופרית במקום חמצן, כגון Li2GeS3, Li4GeS4, Li2ZnGeS4 וחומרים חדשים אחרים, מוליכות היונים שלו יכולה להגיע ל -6.5 × 10-5S / cm.