リチウム電池アプリケーションのためのソリッドステートグラフトコポリマー電解質
Summary
リチウムイオン電池は、周囲温度の用途に適している可燃性及び揮発性有機電解質を用いる。有機電解質へのより安全な代替手段は、固体ポリマー電池です。固体ポリマー電池は、このように深い石油掘削およびハイブリッド電気自動車などの高温用途にそれらが適用されること、高温（> 120℃）で安全に動作します。本論文では、（b）はポリマー伝導機構、（）ポリマー合成を議論し、そして（c）固体高分子および有機電解質の両方の温度サイクルを提供します。ます
Abstract
電池の安全性は、過去10年間にわたって非常に重要な研究分野となっています。市販のリチウムイオン電池は、低引火点（<80°C）、可燃性、揮発性有機電解用いる。これらの有機系電解質系は、周囲温度で生存可能であるが、温度が80℃を超えないようにするために冷却システムを必要とするこれらの冷却システムは、バッテリーのコストが増加する傾向があり、バッテリーの故障や爆発につながる可能性が誤動作が、このように人間の生命を危険にさらすことができます。石油価格の上昇は、原油価格が上昇し続けるように動作するように、より経済的に実行可能であり、安全、電気のハイブリッド車のための巨大な需要につながる。リチウムイオン電池で使用されている既存の有機系電解質は、高温の自動車用途には適用されません。有機電解質へのより安全な代替手段は、固体高分子電解質である。この作品は、グラフト共重合体電解質（GCE）ポリ（O用合成を強調表示されますxyethylene）低いガラス転移温度（T g）のポリ（オキシエチレン）アクリレート（POEA）を有するブロックへメタクリレート（POEM）。伝導機構が議論されており、それは、ポリマーセグメント運動とイオン伝導度との関係が実際にボーゲル·タンマン-フルチャー（VTF）依存性を有する実証されている。市販のLP30有機（エチレンカーボネートにLiPF 6を （EC）：1:1の比率で、ジメチルカーボネート（DMC））を含む電池およびGCEは、周囲温度で循環させていた。なお、LP30電解質と比較して、周囲温度で、GCEを含む電池が大きい過電圧を示したことが見出された。しかし60°Cより高い温度で、GCEセルは、はるかに低い過電圧により速く高分子電解質伝導性を示し、ほぼ170のmAh / gで完全理論比容量がアクセスされました。
Introduction
リチウム（Li）は非常に陽性金属（標準水素電極に対して-3.04 V）、軽量金属（6.94グラム/モル当量および0.53グラム/ cm 3での比重）である。これは、サイズと重量物質ポータブルエネルギー貯蔵装置用負極と理想中の活性物質のための選択肢として、それを魅力的になる。リチウム系電池（リチウムイオン、PLiON、およびLi金属）がより高いエネルギー密度を有することを図1に示してい鉛酸、ニッケル·カドミウム、ニッケル水素電池1以下である。
完全なリチウムイオン電池は、正極（正）、アノード（負）、電解液、およびセパレータ（ 図2）から構成される。陰極と陽極の両方が、リチウムイオンがインターカレートまたは（アノードが炭素である場合、Liはリチウム中立としてインターカレー）可逆的にインターカレートすることができるデインターカレーション化合物である。電解質は、イオン伝導と絶縁し、電気を提供しています電極間のNIC伝導。セパレータは、イオン透過性が、短絡からの2つの電極を保つために機械的に剛性である。セルが満充電状態にあるときLiの全ては、アノードにインターカレートしており、セルが完全に放電状態である場合、リチウムイオンの全てが陰極でインターカレートされている。電解質を通ってアノードからカソードへのイオンが流れている間、電源装置への外部回路を通ってカソードにアノードからの電子の流れを放電する、自発的な反応中。電荷中性を維持するために、カソードにおけるイオンと電子が再結合する。充電時に、流れが逆転する。
彼らはほとんど何十年も同じままである電解液、上のエネルギー電池の密度よりもむしろが決まるので、これまでほとんどのリチウムイオン電池の開発は陰極材料に焦点を当てている。それはimpedanのための全体的なパワー能力に影響を与えるので、電解液は、電池の重要な部分である電解質自体を通って、電極 – 電解質界面で両方CE。
リチウムイオン電池で用いられる電解質は、一般式LIXおよび非水性溶媒の塩から構成される。他の電気化学システムで使用される水性電解質に比べて、リチウムイオン電解質の不利な点は、導電性、コストが高く、引火性、及び環境問題である。利点は、-150℃から300℃、広い電圧ウィンドウ（最大5 V対のLi / Li +（リチウムイオン）まで）と、電極（水電解だろうとの互換性を高めるには、広い温度範囲（電解質が液体のままその上に）含まれて4-6、3）Li金属とフォームのLiOHと水素と激しく反応する2。
電池に使用される主な非水性電解質は有機カーボネート系液体、ポリマー、イオン性液体、及びセラミックスが含まれています。これらの電解質は、実用的なリチウムイオン（Li-ion）batteriに使用する特定のベンチマークを満たす必要がES。それらは少なくとも10ミリ秒/ cmの大型電気化学窓（高電圧用カソード> 4.5 V）、低蒸気圧、良好な熱的および化学的安定性、低毒性、低コストの導電率を含む。例えば、電気自動車などの特定の厳しい用途では、これらのベンチマークのすべてが60℃まで-20°Cから典型的に、広い温度範囲で満たされなければならないこの作業の焦点は、有機および高分子電解質であるため、本稿の残りの部分では、これらの電解質に焦点を当てます。
カーボネート系電解質は、有機溶媒に溶解したリチウム塩から成る。しかし、すべての要件を満たすために溶媒のいずれかのために困難である。例えば、エチレンカーボネート（EC）とプロピレンカーボネート（PC）等の低蒸気圧を有する溶媒は、低い導電率をもたらす、より高い粘度を有する傾向がある。またECは、室温で固体であり、これは、それが別の溶媒と組み合わせることを必要とする。一般的には電解質いくつかの溶媒の組み合わせである。一般的な溶媒とその物理的性質のいくつかを表1に示す。
| 名前 | 融解温度（°C） | 沸騰温度（℃） | 粘度（MPA *秒） |
| ジメチルカーボネート（DMC） | 4.6 | 90 | 0.5902（25℃） |
| ジエチルカーボネート（DEC） | -43 | 126.8 | 0.7529（25℃） |
| エチレンカーボネート（EC） | 36.5 | 238 | 1.9（40°C） |
| プロピレンカーボネート（PC） | -54.53 | 242 | 2.512（25℃） |
表1。一般的な炭酸溶剤 7。
ORGAへ安全交互NIC電解質、ポリマー電解質をベースにしています。ポリマー電解質は、薄膜、不揮発性、不燃性、および柔軟性は、それらがロールバックされ、大規模な商業規模で印刷することが可能である。ライトらは 1973年に初めてのイオンの伝導ポリ（エチレンオキシド） -塩錯体（PEO）を実証した。これは、後で液体電解質中のLi金属上にデンドライトの成長に関連する安全上の問題がデンドライト8-17の増殖を抑制しPEO系固体高分子電解質を使用することによって解決することができることが発見された。 （1）無溶剤乾燥固体ポリマー、（2）ゲル電解質、そして我々の仕事で使用する無溶剤乾燥合成と（3）可塑化ポリマー：ポリマー電解質の3つの主要な種類があります。
本論文では、（a）は無溶剤ドライポリマー合成、（b）はポリマー伝導機構を議論し、そして（c）固体高分子および有機電解質の両方の温度サイクルを提供します。ます
Protocol
Representative Results
Discussion
LiFePO 4を/ GCE /李曲線は充電と放電の両方でのLiFePO 4 / LP30/Li曲線よりも大きい過電圧を示しています。 GCEを電解質とバインダーの両方として使用されるので、イオン伝導は、カソード粒子のすべてに設けられており、ほぼ全実用比容量（mAhの150 / g）はアクセス可能であっれる。それは室温で低いのLiFePO 4粒子内にリチウム拡散によって制限されるので、170ミリアンペ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
著者は、財政支援を提供するための国際的なウェザーに感謝したいと思います。
Materials
| Name of the reagent | Company | Catalogue number | Comments (optional) |
| POEM | Sigma Aldrich | 26915-72-0 | |
| POEA | Sigma Aldrich | 32171-39-4 | |
| LiTFSI | Sigma Aldrich | 90076-65-6 | |
| AIBN | Sigma Aldrich | 78-67-1 | |
| EA | Sigma Aldrich | 141-78-6 | |
| THF | Sigma Aldrich | 109-99-9 | |
| PDMS | Gelest | 146632-07-7 | |
| Argon Gas | Air Gas | Ultra high purity (Grade 5) | |
| PE | Sigma Aldrich | 8032-32-4 | |
| LiFePO4 | Gelon | ||
| Carbon black | SuperP | Super P | |
| Lithium metal | Alfa Aesar | 7439-93-2 | |
| PVDF binder resin | Kynar | Kynar | |
| PVDF Separator | Celgard | ||
| LP30 | Merck | LiPF6 in EC:DMC | |
| MACCOR battery tester | MACCOR | ||
| El-Cut | EL-CELL |
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