Обсуждение и анализ технологии полимерных литий-ионных батарей

1 особенности конструкции литий-ионного аккумулятора

Положительные и отрицательные активные материалы литий-ионных батарей представляют собой встроенные соединения. Li + удаляется с положительного электрода во время зарядки и вводится в отрицательный электрод через электролит. Напротив, процесс зарядки и разрядки аккумулятора фактически представляет собой Li +, внедренный вперед и назад между двумя электродами. Процесс извлечения, поэтому эту батарею еще называют «Батарея-качалка» (сокращенно RCB). Схема реакции и основная формула реакции следующие:

2. Технология полимерных литий-ионных аккумуляторов.

2.1 Эксплуатационные характеристики полимерного литий-ионного аккумулятора

Полимерный литий-ионный аккумулятор относится к ионно-литиевому аккумулятору, в котором в качестве электролита используется твердый полимерный электролит (ТПЭ). Батарея сформирована путем уплотнения токосъемника положительного электрода, пленки положительного электрода, мембраны из полимерного электролита, мембраны отрицательного электрода и токосъемника отрицательного электрода, и герметизирована композитной пленкой из алюминия и пластика, а ее края скручены. термосварка для получения литий-ионного полимерного аккумулятора. Поскольку электролитная мембрана твердая, проблема утечки отсутствует, а степень свободы конструкции батареи велика, и ее можно подключать последовательно, параллельно или в биполярной структуре по мере необходимости.

Литий-ионный полимерный аккумулятор имеет следующие характеристики: 1 гибкость формы; 2 более высокая удельная удельная энергия (в 3 раза больше MH-Ni батареи); 3 ширина окна электрохимической стабильности до 5В; 4 безупречная безопасность и надежность; 5 более длительный срок службы, меньшая потеря емкости; 6 объем загрузки; 7 широкий спектр приложений.

Его рабочие показатели: рабочее напряжение: 3,8 В; удельная энергия: 130Втч / кг, 246Втч / л; жизненный цикл:> 300; саморазряд: <0,1% / мес .; рабочая температура: 253-328К; скорость зарядки: 1 час 80% емкости; От 3 часов до 100% емкости; факторы окружающей среды: нетоксичен.

2.2 катодный материал

Характеристики и цена литий-ионной батареи тесно связаны с материалом ее положительного электрода. В общем, материал положительного электрода должен удовлетворять: (1) электрохимической совместимости с раствором электролита в требуемом диапазоне потенциалов заряда и разряда; (2) умеренная кинетика электродного процесса; (3) сильно обратимый; (4) хорошая стабильность на воздухе в полностью литиевом состоянии, с развитием литий-ионных батарей постоянно ведутся исследования высокоэффективных и недорогих катодных материалов. В настоящее время исследования в основном сосредоточены на оксидах лития переходных металлов, таких как оксид лития, кобальта, оксид лития, никеля и оксид лития-марганца [1] (см. Таблицу 1).

Таблица 1 Сравнение трех основных материалов катода для литий-ионных батарей

Оксид кобальта лития (LiCoO2) относится к структуре типа α-NaFeO2 и имеет двумерную слоистую структуру, которая подходит для деинтеркаляции ионов лития. Благодаря простому процессу подготовки, стабильной работе, высокой удельной емкости и хорошему циклу, большинство современных литий-ионных батарей используют LiCoO2 в качестве материала положительного электрода. Способы синтеза в основном включают метод высокотемпературного твердофазного синтеза и метод низкотемпературного твердофазного синтеза, а также мягкие химические методы, такие как метод осаждения щавелевой кислоты, золь-гель метод, метод холодного нагрева и метод смешивания органических веществ.

Оксид лития-никеля (LiNiO2) представляет собой структурное соединение типа каменной соли с хорошей термостойкостью. Благодаря низкой скорости саморазряда, низким требованиям к электролитам, отсутствию загрязнения окружающей среды, относительно богатым ресурсам и разумной цене он является многообещающим катодным материалом для оксида лития-кобальта. В настоящее время LiNiO2 в основном синтезируется твердофазной реакцией Ni (NO3) 2, Ni (OH) 2, NiCO3, NiOOH и LiOH, LiNO3 и LiCO3. Синтез LiNiO2 сложнее, чем LiCoO2. Основная причина заключается в том, что LiNiO2 в стехиометрическом соотношении легко разлагается на Li1-xNi1 + xO2 в условиях высоких температур. Избыточные ионы никеля находятся в слое лития между плоскостями NiO2, что затрудняет диффузию ионов лития. Это повлияет на электрохимическую активность материала, а поскольку Ni3 + получить труднее, чем Co3 +, синтез должен проводиться в атмосфере кислорода [2].

Оксид лития-марганца представляет собой модификацию традиционного материала положительного электрода. В настоящее время широко используется шпинель типа LixMn2O4, которая имеет трехмерную туннельную структуру и больше подходит для деинтеркаляции ионов лития. Оксид лития-марганца богат сырьем, имеет низкую стоимость, не загрязняет окружающую среду, устойчив к перезарядке и термобезопасен. Он предъявляет относительно низкие требования к устройствам защиты аккумуляторных батарей и считается наиболее перспективным катодным материалом для литий-ионных аккумуляторов. Растворение Mn, эффект Яна-Теллера и разложение электролита считаются наиболее важными причинами потери емкости ионно-литиевых батарей, в результате чего оксид лития-марганца используется в качестве материала положительного электрода.

2.3 твердый полимерный электролит.

Твердый материал, который проводит ток через ионы, обычно называют твердым электролитом и включает три типа кристаллического электролита, стеклянный электролит и полимерный электролит, при этом твердый полимерный электролит (ТПЭ) имеет легкую, легкую пленку. образование, хорошая вязкоупругость и подобные преимущества могут быть использованы в батареях, датчиках, электрохромных дисплеях и конденсаторах. Использование SPE в литий-ионных батареях может устранить проблему утечки жидкого электролита, заменить сепаратор в батарее, подавить образование дендритов на поверхности электрода, снизить реактивность электролита и электрода, улучшить удельную энергию. батареи и сделайте батарею устойчивой. Давление, ударопрочность, низкая стоимость производства и простота обработки.

Обычный твердый полимерный электролит (ТПЭ) состоит из полимера и литиевой соли, которая представляет собой систему электролита, в которой литиевая соль растворена в полимере. Обычно полимер, имеющий полярную группу, такую как кислород, азот или сера, которая может координироваться с Li + в молекулярной цепи, может быть использован для образования такой системы, такой как полиэтиленоксид (PEO), полиоксипропилен или полиоксигетероцикл, бутан, полиэтиленимин, поли (N-пропил-1 азиридин), полисульфид и тому подобное. Li + как твердая кислота имеет тенденцию взаимодействовать с твердым основанием, поэтому растворимость литиевой соли в полимере, содержащем полярные группы азота и серы, меньше, чем растворимость полимера, содержащего кислородсодержащую полярную группу, и электропроводность (σ) Очень низкий и не имеет практического значения; Конформация молекул ПЭО более благоприятна, чем других молекул полиэфира, для образования множественной координации с катионами, может растворять больше солей лития и проявлять хорошую электрическую проводимость, поэтому система ПЭО + соль лития становится ТФЭ. Самой ранней и наиболее широко изученной системой.

Однако обычный твердый полимерный электролит (ТПЭ) имеет σ при комнатной температуре обычно менее 10-4 См · см-1. Для удовлетворения требований к ионно-литиевой батарее добавление системы полимер / соль может способствовать диссоциации литиевой соли и увеличить свободный объем системы. Желирующий агент, который увеличивает и понижает температуру стеклования (Tg), дает гель SPE с σ комнатной температурой более 10-3 См · см-1. Пластификаторы обычно представляют собой органические растворители, имеющие высокую диэлектрическую постоянную, низкую летучесть, смешиваемость с комплексом полимер / соль и стабильность по отношению к электроду, например, этиленкарбонат (ЕС), пропиленкарбонат (ПК), диметилкарбонат, N-метилпирролидон, сульфолан. , γ-бутиролактон и т.п. Обычно используемые соли лития - это LiPF6, LiN (SO2CF3) и подобные.

Факторы, влияющие на проводимость полимера, обсуждались с помощью XRD, DSC и импеданса переменного тока.

(1) Влияние концентрации соли лития на электропроводность.

Когда концентрация литиевой соли низкая, проводимость полимерного электролита относительно низкая, только порядка 10-8. В процессе увеличения концентрации соли лития проводимость увеличивается с увеличением концентрации ионов-носителей; и когда концентрация соли продолжает увеличиваться, высокая концентрация ионов приводит к взаимодействию между ионами. Усиление приводит к уменьшению подвижности ионов-носителей, что приводит к снижению проводимости.

(2) Связь между концентрацией пластификатора и Tg.

По мере увеличения количества пластификатора температура стеклования полимерного электролита постепенно снижается, что ускоряет сегментное движение полимерного электролита при комнатной температуре, и, таким образом, его электропроводность увеличивается. Хотя увеличение концентрации пластификатора значительно увеличивает электрическую проводимость полимерного электролита, оно также снижает свойство самоподдерживающейся пленки и механическую прочность мембраны из полимерного электролита. Если форполимер, пластификатор и соль лития смешивают, реакция полимеризации инициируется светом или теплом, и гель SPE, имеющий сетчатую структуру, образуется за счет химического связывания, так что полученный SPE не только имеет хорошие механические свойства, но и ингибирует полимер. Кристаллизация увеличивает количество пластификатора в SPE и приводит к высокому σ SPE.

2.4 материал анода

Емкость литий-ионной батареи в значительной степени зависит от количества лития, вставленного в отрицательный электрод. Материал отрицательного электрода должен удовлетворять следующим требованиям: (1) изменение потенциала электрода во время деинтеркаляции лития невелико и близко к металлическому литию; (2) имеет более высокий коэффициент мощности; (3) более высокая эффективность заряда и разряда; (4) более высокая скорость диффузии внутри и на поверхности Li + материала электрода; (5) более высокая структурная, химическая и термическая стабильность; (6) низкая стоимость и простота приготовления. В настоящее время исследования анодных материалов для литий-ионных аккумуляторов в основном сосредоточены на углеродных материалах и других оксидах металлов со специальной структурой.

Обычно способ изготовления анодного материала следующий: 1 нагрев мягкого углерода при определенной высокой температуре для получения сильно графитированного углерода; 2 разложение сшитой смолы, имеющей особую структуру, при высокой температуре с получением твердого углерода; 3 приготовление высокотемпературного термического разложения органического вещества и высокомолекулярного полимера, содержащего водород и углерод.

Трудность, которую можно преодолеть в углеродном анодном материале, заключается в ослаблении цикла емкости, то есть необратимой потере емкости из-за образования границы раздела фаз твердого электролита (SEI). Таким образом, получение высокочистых и регулярных микроструктурированных углеродных анодных материалов является одним из направлений развития.

Механизм действия различных оксидов металлов аналогичен механизму материалов положительных электродов, и основное направление исследований - получение оксидов металлов новой структуры или композитных структур.

Страница содержит содержимое машинного перевода.