יתרונות היישום של אלקטרוליט מוצק

אלקטרוליט מוצק הוא מגמה בפיתוח אלקטרוליטים סוללת ליתיום בעתיד, כי טכנולוגיית סוללת אלקטרוליט מוצק התפתחה עד היום. מנקודת מבט טכנית, אלקטרוליטים מוצקים יכולים להיות מחולקים אלקטרוליטים תחמוצת, אלקטרוליטים גופרתיים, אלקטרוליטים פולימר אורגני, ואלקטרוליטים LiPON. ניתן לומר כי הוא בוגר יחסית, אבל זה גם נתקל צוואר בקבוק. לידתו של דור חדש של טכנולוגיה נחוצה בדחיפות, במיוחד בתחום האנרגיה החדשה. סוללות Solid-State צפויות להפוך לאחת המושכות ביותר בין טכנולוגיות סוללות החשמל מהדור הבא. מכיוון שלסוללות במצב מוצק לא רק שיש להן בגרות טכנולוגית גבוהה יחסית, חברות סוללות ליתיום-יון מקומיות ותזריות רבות התייחסו גם לטכנולוגיה של סוללות במצב מוצק כרזרבות טכנולוגיות חשובות מהדור הבא.

בפיתוח מוקדם של טכנולוגיית סוללות במצב מוצק, בשל מוליכות נמוכה יחסית של חומרים אלקטרוליט מוצקים, המוקד של מחקר ופיתוח היה בעיקר על שיפור מוליכות של אלקטרוליטים מוצקים. לכן, אלקטרוליטים מוצקים גופרתיים ואלקטרוליטים מוצקים תחמוצת עם מוליכות יונית גבוהה משכו מגוון רחב של תשומת לב.

סוללות ליתיום-יון מוצקות משתמשות באלקטרוליטים מוצקים במקום אלקטרוליטים נוזליים אורגניים מסורתיים, שיכולים לפתור בעיות בטיחות בסוללה והם מקורות חשמל כימיים אידיאליים לכלי רכב חשמליים ולאחסון אנרגיה בקנה מידה גדול. המפתח הוא להכין אלקטרוליטים מוצקים עם מוליכות בטמפרטורת החדר גבוהה ויציבות אלקטרוכימית, כמו גם חומרים אלקטרודה באנרגיה גבוהה המתאימים לכל סוללות ליתיום-יון מוצק, ולשפר את התאימות של ממשק אלקטרודה/ אלקטרוליט מוצק.

סוללות ליתיום במצב מוצק מפותחות על בסיס סוללות ליתיום. בהשוואה לסוללות ליתיום מסורתיות, הן בעיקר כבר לא משתמשות בנוזל או בג'ל כחומר מוליך בין האלקטרודות החיוביות והשליליות, מה שישפר מאוד את הבטיחות של המכונית ואת היכולת לעמוד בטמפרטורות גבוהות. . יש לו את היתרונות של בטיחות גבוהה, צפיפות אנרגיה גבוהה, חיי מחזור ארוכים, טווח טמפרטורות פעולה רחב, ביניהם הליבה מאוד הוא אלקטרוליט מוצק.

אלקטרוליטים מוצקים תחמוצת ניתן לחלק גבישי מזוגתי (אמורפי) על פי מבנה החומר. אלקטרוליטים גבישיים כוללים סוג perovskite, סוג NASICON, סוג LISICON וסוג גארנט, וכו '. אלקטרוליט תחמוצת מזווה הנקודה החמה המחקר הוא אלקטרוליט LiPON מסוג המשמש בסוללות סרט דק.

אלקטרוליט מוצק גבישי תחמוצת יש יציבות כימית גבוהה והוא יכול להתקיים באופן יציב באטמוספרה, אשר מועיל לייצור בקנה מידה גדול של סוללות מצב מוצק. מטרת המחקר היא לשפר את מוליכות יונית טמפרטורת החדר ואת תאימותה עם אלקטרודות. כיום, השיטות לשיפור מוליכות הן בעיקר החלפת אלמנטים וסמים של אלמנט הטרובלנטי, ותאימות עם אלקטרודות היא גם נושא חשוב המגביל את יישום היישום שלה.

אלקטרוליט מוצק גבישי גופרתי טיפוסי ביותר הוא thio-LISICON, אשר התגלה לראשונה על ידי פרופסור KANNO של המכון הטכנולוגי של טוקיו במערכת Li2S-GeS2-P2S. ההרכב הכימי הוא Li4-xGe1-xPxS4, ומולות יון טמפרטורת החדר היא גבוהה ככל 2.2×10. -3S/cm (כאשר x= 0.75), ותו לא ניתן להתעלם מה מוליכות אלקטרונית. הנוסחה הכימית הכללית של thio-LISICON היא Li4-xGe1-xPxS4 (A =Ge, Si, וכו ', B = P, אל, Zn, וכו ').

האלקטרוליט המוצק מזכוכית גופרתי מורכב בדרך כלל מ-P2S5, SiS2, B2S3 ו- Li2S של רשת לשעבר ומזהף רשת אחרים. המערכת כוללת בעיקר Li2S-P2S5, Li2S-siS2, Li2S-B2S3. הקומפוזיציה כוללת טווח וריאציות רחב, מוליכות יון בטמפרטורת החדר גבוהה, יציבות תרמית גבוהה, ביצועי בטיחות טובים וחלון יציבות אלקטרוכימית רחבה (עד 5V). יש לו יתרונות יוצאי דופן בסוללות במצב מוצק בהצלה גבוהה ובטמפרטורה נמוכה ויש לו פוטנציאל גדול של חומרים אלקטרוליטיים של סוללות במצב מוצק.

אלקטרוליט מוצק פולימר מורכב מטריצת פולימר (כגון פוליאסטר, פולימראז ופוליאמין, וכו ') ומלח ליתיום (כגון LiClO4, LiAsF4, LiPF6, LiBF4, וכו '), בשל משקלו הקל, ויסגלסטיות טובה, וביצועי עיבוד מכני מעולה ומאפיינים אחרים זכו לתשומת לב נרחבת.

SPEs נפוצים כוללים תחמוצת פוליאתילן (PEO), polyacrylonitrile (PAN), פוליוינילידן פלואוריד (PVDF), פולימתילמטלאצ'רילט (PMMA), תחמוצת פוליפרופילן (PPO), פוליוינילידן כלוריד (PVDC) ומערכות אלקטרוליט פולימר פולימר יחיד.

כיום, מטריצת SPE הזרם המרכזי היא עדיין PEO המוצעת הראשונה ונגזרותיה, בעיקר בשל היציבות של PEO לליתיום מתכת ויכולתה לנתק מלחי ליתיום טובים יותר.

אלקטרוליט LiPON מיוצר על ידי המעבדה הלאומית אוק רידג ' (ORNL) בארצות הברית. סרט האלקטרוליט ליתיום זרחן (LiPON) הוכן על ידי הבעת יעד Li3P04 באיכות גבוהה באמצעות מכשיר מבעבע מגנטרון בתדר רדיו באטמוספרה חנקן טוהר גבוהה.

זה מובן כי החומר יש ביצועים מקיפים מצוינים, מוליכות יונית טמפרטורת החדר היא 2.3×10-6S/cm, חלון אלקטרוכימי הוא 5.5V (http://vs.Li/Li+), יציבות תרמית היא טובה, אלקטרודות חיוביות כגון LiCoO2, LiMn2O4, ואלקטרודות שליליות כגון מתכת ליתיום וסגסוגת ליתיום יש תאימות טובה. המויכות היונית של הסרט LiPON תלויה במבנה האמורפי ובתוכן N בחומר הסרט. העלייה של תוכן N יכול לשפר את מוליכות יוני.