Eletrólitos copolímero de enxerto de estado sólido para Aplicações da bateria de lítio
Summary
As baterias de iões de lítio empregam eletrólitos orgânicos inflamáveis e voláteis que são adequados para aplicações de temperatura ambiente. Uma alternativa mais segura para os eletrólitos orgânicos são baterias de polímero sólido. Baterias de polímero sólido operar com segurança em altas temperaturas (> 120 ° C), tornando-os aplicáveis para aplicações de alta temperatura, como perfuração de petróleo profundo e veículos elétricos híbridos. Este artigo discute (a) a síntese do polímero, (b), o mecanismo de condução do polímero, e (c) proporcionar ciclos de temperaturas, tanto para sólidos de polímero e de electrólitos orgânicos.
Abstract
Segurança da bateria tem sido uma área de pesquisa muito importante ao longo da última década. As baterias de iões de lítio disponíveis comercialmente empregam baixo ponto de fulgor (<80 ° C), inflamáveis, e eletrólitos orgânicos voláteis. Estes sistemas de electrólito à base de orgânicos são viáveis às temperaturas ambientes, mas necessitam de um sistema de arrefecimento para assegurar que a temperatura não exceda 80 ° C. Estes sistemas de arrefecimento tende a aumentar os custos da bateria e pode avaria, que pode levar ao mau funcionamento da bateria e explosões, pondo assim em risco a vida humana. Aumentos nos preços do petróleo levam a uma enorme demanda por veículos híbridos, elétricos seguros que são mais economicamente viável para operar como os preços do petróleo continuam a subir. Existentes eletrólitos baseados orgânicos utilizados em baterias de íons de lítio não são aplicáveis para aplicações automotivas de alta temperatura. Uma alternativa mais segura para os eletrólitos orgânicos é eletrólitos poliméricos sólidos. Este trabalho irá destacar a síntese de um copolímero de enxerto de eletrólitos (GCE) poli (oxyethylene) metacrilato (POEMA) a um bloco com uma menor temperatura de transição vítrea (Tg) de poli (oxietileno) acrilato (POEA). O mecanismo de condução foi discutido, tendo sido demonstrada a relação entre o polímero de movimento segmentar e condutividade iónica de facto tem uma dependência de Vogel-Fulcher-Tammann (VTF). As baterias que contêm LP30 orgânico disponível comercialmente (LiPF 6 em carbonato de etileno (CE): carbonato de dimetilo (DMC) em uma razão de 1:1) e GCE foram reciclados à temperatura ambiente. Verificou-se que, à temperatura ambiente, as baterias contendo GCE mostrou uma maior sobrepotencial, quando comparado com LP30 electrólito. No entanto, em temperaturas superiores a 60 ° C, a célula GCE exibiu muito menor sobrepotencial devido ao rápido polímero eletrólito condutividade e quase a plena capacidade específica teórica de 170 mAh / g foi acessado.
Introduction
Lítio (Li) é um metal altamente electropositivo (-3,04 V em relação ao eléctrodo padrão de hidrogénio), e o metal leve (peso equivalente a 6,94 g / mol e gravidade específica de 0,53 g / cm 3). Isto torna-o atractivo como uma escolha para o material activo no eléctrodo negativo e ideal para dispositivos portáteis de armazenamento de energia, onde o tamanho e peso da matéria. Figura 1 mostra que, com base em pilhas de lítio (Li iónica, Plion, e Li metálico) têm maiores densidades de energia de chumbo-ácido, níquel-cádmio e de níquel-metal-hidreto 1.
Uma bateria de lítio-ion completo consiste de um cátodo (positivo), um ânodo (negativo), um eletrólito e um separador (Figura 2). Tanto o cátodo e o ânodo são compostos de intercalação, onde Li-iões podem intercalam ou de-intercalam reversível (se o ânodo é carbono, como Li Li intercala neutro). O eletrólito fornece a condução iônica e isola electronic condução entre os eletrodos. O separador permeável aos iões, mas mecanicamente rígida para manter os dois eléctrodos de curto-circuito. Quando a célula está no estado totalmente carregado todo o Li intercalado no ânodo, e quando a célula se encontra num estado totalmente descarregadas todas as li-iões são intercaladas no cátodo. Durante a reacção espontânea, descarregando electrões fluem do ânodo para o cátodo através de um circuito externo para alimentar um dispositivo, enquanto que os iões fluem do ânodo para o cátodo através do electrólito. Os íons e elétrons se recombinam no cátodo para manter a carga neutralidade. Após o carregamento, o fluxo é invertido.
Mais desenvolvimento de bateria Li-ion até à data tem-se centrado em materiais de cátodo porque determinam a densidade de energia da bateria, em vez de o eletrólito, que se manteve praticamente o mesmo há décadas. O eletrólito é uma peça-chave da bateria, uma vez que afeta a capacidade de potência total devido a impedance tanto através do próprio eletrólito e nas interfaces eletrodo-eletrólito.
O electrólito utilizado em baterias de iões de lítio é geralmente constituído por um sal do tipo LiX e um solvente não-aquoso. Em comparação com os electrólitos aquosos utilizados em outros sistemas de electroquímica, as desvantagens de electrólitos de iões de lítio são inferiores a condutividade, o custo mais elevado, inflamabilidade e problemas ambientais. As vantagens incluem uma vasta gama de temperaturas (acima de que o electrólito permanece no estado líquido) de -150 ° C a 300 ° C, uma janela de tensão de largura (até 5 V versus Li / Li +), e uma melhor compatibilidade com os eléctrodos (electrólito aquoso faria reagem violentamente com Li metálico e forma-se LiOH e hidrogénio) 2, 3, 4-6.
As principais electrólitos não aquosos utilizados nas pilhas incluem líquidos orgânicos à base de carbonato, os polímeros, os líquidos iónicos, e cerâmicas. Estes eletrólitos precisam atender a certos benchmarks para ser usado em prática Li-ion batteries. Eles incluem uma condutividade de, pelo menos, 10 ms / cm, uma grande janela electroquímica (> 4,5 V para os cátodos de alta tensão), baixa pressão de vapor, uma boa estabilidade térmica e química, baixa toxicidade, e de baixo custo. Para certas aplicações exigentes, tais como os veículos eléctricos, todos esses parâmetros devem ser satisfeitas por uma ampla gama de temperaturas, geralmente desde -20 ° C até 60 ° C. Como o foco deste trabalho está em eletrólitos orgânicos e polímeros, o restante deste artigo incidirá sobre os eletrólitos.
Electrólitos base de carbonato consistem de um sal de lítio dissolvido em um solvente orgânico. No entanto, é difícil para qualquer um solvente, para cumprir todos os requisitos. Por exemplo, solventes com pressão de vapor baixa, tal como carbonato de etileno (CE) e de carbonato de propileno (PC), tendem a ter viscosidades mais elevadas, levando a menor condutividade. Também CE é um sólido à temperatura ambiente, o que requer que ele seja combinado com um outro solvente. Geralmente o electrólitoÉ uma combinação de vários solventes. Os solventes comuns e algumas das suas propriedades físicas são apresentadas na Tabela 1.
| Nome | Temperatura de Fusão (° C) | Temperatura de ebulição (° C) | Viscosidade (mPa * s) |
| Carbonato Dimethyl (DMC) | 4.6 | 90 | 0,5902 (25 ° C) |
| Dietil carbonato (DEC) | -43 | 126,8 | 0,7529 (25 ° C) |
| Carbonato de etileno (CE) | 36.5 | 238 | 1,9 (40 ° C) |
| Carbonato de propileno (PC) | -54,53 | 242 | 2,512 (25 ° C) |
Tabela 1. Solventes Carbonato comuns 7.
Alterna mais seguro para orgaeletrólitos nic são polímero baseado eletrólitos. Polímero electrólitos são filmes finos, não voláteis, não inflamável, e a sua flexibilidade que lhes permite ser enrolado e impressos em grande escala comercial. Wright, et ai. Complexos de condução de iões demonstrou pela primeira vez em poli (óxido de etileno) (PEO-sal), em 1973. Foi descoberto mais tarde que a questão de segurança associados com o crescimento dendrito em Li metal eletrólito líquido poderia ser resolvido usando baseado em PEO polímero sólido eletrólito, que suprimiu o crescimento de dendrites 8-17. Existem três tipos principais de electrólitos poliméricos: (1) livre de solventes de polímero sólido seco, (2) de gel de electrólitos, e (3) de polímero plastificada, uma síntese seco isento de solvente usada no nosso trabalho.
Este artigo discute (a) a síntese de polímero seco e livre de solvente, (b), o mecanismo de condução do polímero, e (c) proporcionar ciclos de temperaturas, tanto para sólidos de polímero e de electrólitos orgânicos.
Protocol
Representative Results
Discussion
As curvas LiFePO 4 / GCE / Li mostrar maior sobrepotencial que os LiFePO 4 / LP30/Li curvas, tanto de carga e descarga. Uma vez que o GCE é utilizado tanto como electrólito e ligante, a condução iónica é fornecido a todas as partículas de cátodo, e quase toda a capacidade específica prático (150 mAh / g) era acessível. A capacidade específica teórica de 170 mAh / g não é alcançado, uma vez que é limitada pela difusão de lítio dentro LiFePO quatro partículas, que é ba…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Os autores gostariam de agradecer a Weatherford International para a prestação de apoio financeiro.
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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