Преимущества применения твердого электролита

Твердый электролит - это тенденция развития электролитов для литиевых аккумуляторов в будущем, потому что технология аккумуляторов с твердым электролитом развивалась и сегодня. С технической точки зрения твердые электролиты можно разделить на оксидные электролиты, сульфидные электролиты, органические полимерные электролиты и электролиты LiPON. Можно сказать, что он относительно зрелый, но он также столкнулся с узким местом. Срочно необходимо рождение технологий нового поколения, особенно в области новой энергии. Ожидается, что твердотельные батареи станут наиболее привлекательными среди технологий аккумуляторных батарей следующего поколения. Поскольку твердотельные батареи не только обладают относительно высокой технологической зрелостью, многие отечественные и зарубежные производители литий-ионных аккумуляторов также рассматривают технологию полностью твердотельных батарей как важный технологический резерв следующего поколения.

На раннем этапе развития технологии твердотельных аккумуляторов из-за относительно низкой проводимости материалов с твердыми электролитами основное внимание в исследованиях и разработках уделялось улучшению проводимости твердых электролитов. Таким образом, сульфидные твердые электролиты и оксидные твердые электролиты с высокой ионной проводимостью привлекают широкий круг внимания.

Полностью твердотельные литий-ионные батареи используют твердые электролиты вместо традиционных органических жидких электролитов, которые могут хорошо решить проблемы безопасности аккумуляторов и являются идеальными химическими источниками энергии для электромобилей и крупномасштабных накопителей энергии. Ключевым моментом является приготовление твердых электролитов с высокой проводимостью при комнатной температуре и электрохимической стабильностью, а также высокоэнергетических электродных материалов, подходящих для всех твердотельных литий-ионных аккумуляторов, и улучшение совместимости границы раздела электрод / твердый электролит.

Твердотельные литиевые батареи разработаны на основе литиевых батарей. По сравнению с традиционными литиевыми батареями в них больше не используется жидкость или гель в качестве проводящего материала между положительным и отрицательным электродами, что значительно повышает безопасность автомобиля и способность выдерживать высокие температуры. . Он обладает такими преимуществами, как высокая безопасность, высокая плотность энергии, длительный срок службы и широкий диапазон рабочих температур, среди которых основным является твердый электролит.

Оксидные твердые электролиты можно разделить на кристаллические и стеклообразные (аморфные) по структуре материала. К кристаллическим электролитам относятся перовскит, тип NASICON, тип LISICON, тип граната и т. Д. Стекловидный оксидный электролит Исследовательской горячей точкой является электролит типа LiPON, используемый в тонкопленочных батареях.

Оксидный кристаллический твердый электролит обладает высокой химической стабильностью и может стабильно существовать в атмосфере, что благоприятно для крупномасштабного производства полностью твердотельных батарей. Основное внимание уделяется улучшению ионной проводимости при комнатной температуре и ее совместимости с электродами. В настоящее время методами улучшения проводимости в основном являются замена элементов и легирование гетеровалентными элементами, и совместимость с электродами также является важной проблемой, ограничивающей ее применение.

Наиболее типичным сульфидным кристаллическим твердым электролитом является тио-LISICON, который впервые был обнаружен профессором Канно из Токийского технологического института в системе Li2S-GeS2-P2S. Химический состав Li4-xGe1-xPxS4, а ионная проводимость при комнатной температуре достигает 2,2 × 10. -3См / см (где x=0,75), а электронной проводимостью можно пренебречь. Общая химическая формула тио-ЛИЗИКОН: Li4-xGe1-xPxS4 (A=Ge, Si и т. Д., B=P, Al, Zn и т. Д.).

Твердый электролит из сульфидного стекла обычно состоит из P2S5, SiS2, B2S3 и других формирователей сети и модификатора сети Li2S. Система в основном включает Li2S-P2S5, Li2S-SiS2, Li2S-B2S3. Состав имеет широкий диапазон вариаций, высокую ионную проводимость при комнатной температуре, высокую термическую стабильность, хорошие характеристики безопасности и широкий диапазон электрохимической стабильности (до 5 В). Он имеет выдающиеся преимущества в мощных и высокотемпературных твердотельных батареях и имеет большой потенциал материалов электролита твердотельных батарей.

Полимерный твердый электролит состоит из полимерной матрицы (такой как полиэфир, полимераза, полиамин и т. Д.) И литиевой соли (такой как LiClO4, LiAsF4, LiPF6, LiBF4 и т. Д.) Из-за его легкого веса, хорошей вязкоупругости и отличной вязкости. производительность механической обработки и другие характеристики получили широкое внимание.

Обычные SPE включают полиэтиленоксид (PEO), полиакрилонитрил (PAN), поливинилиденфторид (PVDF), полиметилметакрилат (PMMA), полипропиленоксид (PPO), поливинилиденхлорид (PVDC) и системы одноионных полимерных электролитов.

В настоящее время основная матрица ТФЭ по-прежнему является первым предложенным ПЭО и его производными, в основном из-за устойчивости ПЭО к металлическому литию и его способности лучше диссоциировать соли лития.

Электролит LiPON производится Национальной лабораторией Ок-Ридж (ORNL) в США. Пленка электролита на основе оксинитрида лития-фосфора (LiPON) была приготовлена ​​путем распыления мишени из Li3P04 высокой чистоты с использованием устройства для высокочастотного магнетронного распыления в атмосфере азота высокой чистоты.

Понятно, что материал имеет отличные комплексные характеристики, ионная проводимость при комнатной температуре составляет 2,3 × 10-6S / см, электрохимическое окно составляет 5,5 В (http://vs.Li/Li+), термическая стабильность хорошая. Положительные электроды, такие как LiCoO2, LiMn2O4, и отрицательные электроды, такие как металлический литий и литиевый сплав, обладают хорошей совместимостью. Ионная проводимость пленки LiPON зависит от аморфной структуры и содержания N в материале пленки. Увеличение содержания N может улучшить ионную проводимость.