A stato solido innesto elettroliti Copolimero per Batterie di litio Applicazioni
Summary
Batterie agli ioni impiegano elettroliti organici infiammabili e volatili che sono adatti per applicazioni a temperatura ambiente. Un'alternativa più sicura per elettroliti organici sono batterie ai polimeri solidi. Batterie di polimero solido operare in sicurezza alle alte temperature (> 120 ° C), rendendoli così applicabile alle applicazioni ad alta temperatura come foratura profonda petrolio e veicoli elettrici ibridi. Questo documento illustra (a) la sintesi del polimero, (b) il meccanismo di conduzione polimero, e (c) prevedere cicli di temperatura sia per il polimero solido ed elettroliti organici.
Abstract
Sicurezza della batteria è stato un settore di ricerca molto importante negli ultimi dieci anni. Batterie agli ioni di litio disponibili in commercio impiegano basso punto di infiammabilità (<80 ° C), infiammabili, e gli elettroliti organici volatili. Questi sistemi elettrolitici a base organica sono vitali a temperatura ambiente, ma necessitano di un sistema di raffreddamento per assicurare che le temperature non superano i 80 ° C. Questi sistemi di raffreddamento tendono ad aumentare i costi della batteria e possono malfunzionamento che può portare a malfunzionamenti della batteria e le esplosioni, mettendo così in pericolo la vita umana. Gli aumenti dei prezzi del petrolio portano a una grande domanda di sicurezza, i veicoli ibridi elettrici che sono economicamente più vitale per operare come i prezzi del petrolio continuano a salire. Esistenti a base di elettroliti organici utilizzati in batterie agli ioni di litio non sono applicabili alle applicazioni automobilistiche ad alta temperatura. Un'alternativa più sicura per elettroliti organici è elettroliti polimerici solidi. Questo lavoro metterà in luce la sintesi di un copolimero ad innesto elettrolita (GCE) poli (oxyethylene) metacrilato (POEM) a un blocco con una temperatura di transizione vetrosa minore (T g) poli (ossietilene) acrilato (POEA). Il meccanismo di conduzione è stato discusso ed è stato dimostrato il rapporto tra movimento del segmento polimero e conducibilità ionica presenta in effetti una Vogel-Tammann-Fulcherio (VTF) dipendenza. Le batterie contenenti disponibile in commercio LP30 organica (LiPF 6 in carbonato di etilene (CE): dimetil carbonato (DMC) con un rapporto di 1:1) e GCE erano pedalato a temperatura ambiente. Si è riscontrato che, a temperatura ambiente, le batterie contenenti GCE mostrato una maggiore overpotential rispetto al LP30 elettrolita. Tuttavia a temperature superiori a 60 ° C, la cella GCE esposto molto inferiore overpotential dovuti al veloce elettrolita polimerico conducibilità e quasi l'intera capacità specifica teorica di 170 mAh / g è stato raggiunto.
Introduction
Litio (Li) è un metallo altamente electropositive (-3,04 V rispetto all'elettrodo standard a idrogeno), e il metallo leggero (peso equivalente di 6,94 g / mol e peso specifico di 0.53 g / cm 3). Questo lo rende attraente come una scelta per il materiale attivo dell'elettrodo negativo e ideale per i dispositivi di accumulo di energia portatile in cui le dimensioni e il peso questione. Figura 1 mostra che le batterie a base di litio (Li Ion, plion, e Li metallo) hanno densità di più alta energia rispetto al piombo, al nichel-cadmio e al nichel-metallo-idruro 1.
Una batteria al litio pieno consiste di un catodo (positivo), un anodo (negativo), un elettrolita, e un separatore (Figura 2). Sia il catodo e l'anodo sono composti di intercalazione, dove Li-ioni possono intercalare o de-intercalare reversibilmente (se l'anodo è carbonio Li intercala come Li neutro). L'elettrolita fornisce conduzione ionica e isola elettroconduzione nic tra gli elettrodi. Il separatore è permeabile agli ioni, ma meccanicamente rigida di mantenere i due elettrodi da cortocircuito. Quando la cella è in uno stato di carica completa tutte le Li ha intercalate nella anodo, e quando la cella è in uno stato completamente scarica tutte le Li-ioni sono intercalati nel catodo. Durante la reazione spontanea, scarico flusso di elettroni dall'anodo al catodo attraverso un circuito esterno per alimentare un dispositivo, mentre gli ioni flusso dall'anodo al catodo attraverso l'elettrolita. Gli ioni e gli elettroni si ricombinano al catodo di mantenere la neutralità di carica. Sulla ricarica, il flusso viene invertito.
La maggior parte lo sviluppo delle batterie agli ioni di litio ad oggi si è concentrato su materiali catodici perché determinano la densità di energia della batteria piuttosto che su l'elettrolita, che è rimasto per lo più la stessa da decenni. L'elettrolito è un pezzo chiave della batteria in quanto influisce la capacità complessiva di alimentazione a causa di impedance sia attraverso l'elettrolita stesso e alle interfacce elettrodo-elettrolita.
L'elettrolita utilizzato in batterie al litio consiste generalmente di un sale di tipo LiX e un solvente non acquoso. Rispetto agli elettroliti acquosi utilizzati in altri sistemi elettrochimici, gli svantaggi di Li-ion elettroliti sono conducibilità basso, il costo più alto, di infiammabilità, e problemi ambientali. Vantaggi comprendono un ampio intervallo di temperatura (su cui l'elettrolita resta un liquido) da -150 ° C a 300 ° C, una finestra di tensione di larghezza (fino a 5 V contro Li / Li +), e una migliore compatibilità con elettrodi (elettrolita acquoso farebbe reagisce violentemente con Li metallo e forma LiOH e idrogeno) 2, 3, 4-6.
I principali elettroliti non acquosi utilizzati nelle batterie comprendono liquidi organici a base di carbonato, polimeri, liquidi ionici, e ceramiche. Questi elettroliti devono rispondere a determinati parametri di riferimento da utilizzare in pratica agli ioni di litio Batteries. Essi comprendono una conducibilità di almeno 10 mS / cm, una grande finestra elettrochimica (> 4,5 V per catodi alta tensione), bassa pressione di vapore, buona stabilità termica e chimica, bassa tossicità, e basso costo. Per alcune applicazioni severe come i veicoli elettrici, tutti questi parametri devono essere soddisfatti in un ampio intervallo di temperatura, tipicamente da -20 ° C a 60 ° C. Dal momento che l'obiettivo di questo lavoro è di elettroliti organici e polimerici, il resto di questo articolo si concentrerà su questi elettroliti.
Elettroliti a base di carbonato includono un sale di litio disciolto in un solvente organico. Tuttavia, è difficile per uno qualsiasi solvente a soddisfare tutti i requisiti. Per esempio, solventi a bassa tensione di vapore, quale carbonato di etilene (CE) e carbonato di propilene (PC), tendono ad avere una maggiore viscosità, portando ad abbassare la conduttività. Anche EC è un solido a temperatura ambiente, questo richiede di essere combinato con un altro solvente. Generalmente l'elettrolitaè una combinazione di diversi solventi. I comuni solventi e alcune loro proprietà fisiche sono elencati nella Tabella 1.
| Nome | Temperatura di fusione (° C) | Temperatura di ebollizione (° C) | Viscosità (mPa * s) |
| Dimetil carbonato (DMC) | 4.6 | 90 | 0,5902 (25 ° C) |
| Carbonato etilico (DEC) | -43 | 126,8 | 0,7529 (25 ° C) |
| Carbonato di etilene (CE) | 36.5 | 238 | 1,9 (40 ° C) |
| Carbonato di propilene (PC) | -54,53 | 242 | 2.512 (25 ° C) |
Tabella 1. Solventi Carbonato comuni 7.
Safer alterna alle orgaelettroliti nic sono elettroliti basati polimero. Elettroliti polimerici sono film sottili, non volatili, non è infiammabile, e la loro flessibilità permette loro di essere arrotolati e stampati su larga scala commerciale. Wright, et al. Complessi di conduzione di ioni prima dimostrato in poli (ossido di etilene)-sale (PEO) nel 1973. Successivamente si è scoperto che il problema di sicurezza associati con la crescita dei dendriti su Li metallo elettrolita liquido potrebbe essere risolto utilizzando PEO-based elettrolita polimerico solido, che ha soppresso la crescita dei dendriti 8-17. Ci sono tre principali tipi di elettroliti polimerici: (1) senza solventi secca polimero solido, (2) gel di elettroliti, e (3) plastificato polimero, con una sintesi asciutta libera solvente utilizzato nel nostro lavoro.
Questo documento illustra (a) il solvente libera sintesi del polimero secco, (b) il meccanismo di conduzione polimero, e (c) prevedere cicli di temperatura sia per il polimero solido ed elettroliti organici.
Protocol
Representative Results
Discussion
Le LiFePo 4 / GCE / Li curve mostrano maggiore overpotential rispetto alle LiFePo 4 / LP30/Li curve su entrambi carica e scarica. Poiché il GCE è utilizzato sia come elettrolita e legante, ione di conduzione viene fornita per tutte le particelle catodo, e quasi l'intera capacità specifica pratica (150 mAh / g) era accessibile. La capacità specifica teorica di 170 mAh / g non è raggiunto in quanto è limitata dalla diffusione di litio all'interno LiFePo 4 particelle, che è b…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori desiderano ringraziare Weatherford International per fornire un sostegno finanziario.
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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