Vaste elektrolyte höbbe väöl veurdeile bove vloeibare elektrolyte. Ze kinne beveurbeeld de vervörming vaan de elektrode tijdens ‘t oplade en ontlade vermindere, wat de veiligheid verbetert. Ze höbbe ouch oetstekende stabiliteit, zien gemekkelik te verwèrke en de greuj vaanlithiumdendriete kinne weure geminimaliseerd in oplosmiddel-vrije vaste polymeerelektrolyte.
Oonderzeuk nao polymeerelektrolyte begós al in 1973, wie Fenton et al. oontdèkde dat polyethyleenoxide (PEO) complexe mit alkalismetaole ione kooste geleide. Sindsdeen höbbe polymeerelektrolyte väöl aondach getrokke.
In 1978 veurspelde Dr. Armand dat PEO-gebaseerde vaste-polymeerelektrolyte es elektrolyte veur batterieje kooste were gebruuk.
In de volgende twie decennia höbbe oonderzeukers enorme inspanninge gewijd aon ‘t bestudere vaan ‘t mechanisme vaan iongeleiding en de fysico-chemische eigesjappe vaan de elektrolyt-elektrodegrens in de batterij, en höbbe ze gooje veuroetgaank gemaak.
Lithium-ionbatterieje die gebruuk make vaan vaste polymeerelektrolyte kinne lekkageprobleme die geassocieerd zien aon vloeibaar elektrolyte veurkómme.
Polymere zien gemeekkelik te verwèrke en kinne weure geminiaturiseerd. Vaanwege hun hoege plasticiteit kinne polymere ouch were gebruuk um dunne-batterieje te make. Versjèllende batterijstructure kinne were gemaak mit behulp vaan polymeerelektrolyte um aon versjèllende touwpassingsvereistes te voldoon. Daoneve beeje polymeerelektrolyte ‘n hoegere chemische, elektrochemische en thermische stabiliteit in vergelieking mit vloeibare elektrolyte, mit minder neve-reacties mit de elektrode en ‘n breier bedriefstemperatuurbereik. De flexibiliteit vaan polymeerelektrolyte kin volumeveranderinge in de elektrode tijdens laojing en ontlaojing buffere, boedoor de structuur vaan de batterij stabiliseert. Daorom zal, nao de commercialisering vaan vloeibaar-ionbatterieje, lithium-ionbatterijentechnologie gebaseerd op polymeerelektrolyte zich snel oontwikkele en ‘n succesvolle commercialisering bereike.
D’r zien väöl methodes veur ‘t classifisere vaan polymeerelektrolyte, en de standaarde variëre. Op ‘t momint were vaste polymeerelektrolyte veural oondersjeije volgens ‘t gebruukde soort polymeer, zoe wie ‘t bekindste polyether-gebaseerde polyethyleenoxide (PEO), zoewie polymethylmethacrylaat (PMMA) en polyacrylonitriel (PAN). Euver ‘t algemein motte polymeerelektrolyte aon de volgende veurwaarde voldoon um praktisch in lithium-ionbatterieje te were gebruuk.
Hoge ionische geleiding
Aanzeenlik lithium-ion-euverdrachsgetal
Gooje mechanische sterkte
Breid elektrochemisch venster
Oetstekende chemische en thermische stabiliteit
In huidige polymeer-elektrolytesysteme vertoene polymere ‘n significante kristalliniteit bij kamertemperatuur, wat verklaort boeveur de geleidingsvermoge vaan vaste polymeer-elektrolyte bij kamertemperatuur väöl lieger is es die vaan vloeibaar elektrolyte. De mieste kristalle in polymere zien sferuliete, mit amorfe regio’s tösse ze. ‘t Weurt euver ‘t algemein gedach dat lithium-iongeleiding veural veurkump in dees amorfe regio’s.
Daorum is ‘t begriepe vaan de fasestructuur vaan polymere nuttig veur ‘t bestudere vaan ‘t lithium-iongeleidingsmechanisme.
Veur binaire polymeerelektrolytesysteme besteit de fasestructuur veural oet twie types: kristallijne en amorfe regio’s. De vörming vaan kristallijne regio’s is kinetisch gedreve en direk gerelateerd aon specifieke veurbereidingscondities en tied. Streng gesproke, vanwege de aonwezigheid vaan kristallijne regio’s in ‘t polymeersysteem, en de significante variatie vaan dees regio’s in versjèllende umstandeghede, is ‘t vergelieke vaan de geleidingsvermoge vaan versjèllende soorte polymeerelektrolyte neet erg weitesjappelik. Es de greuj vaan kristallijne regio’s echter langzaam is en de aofwieking in ionische geleidingsvermoge binne ‘n geaccepteerd bereik ligk, is ‘t acceptabel um de geleidingsvermoge te vergelieke, oonder bepaolde umstandeghede. Daorum vergelieke veer dèks versjillende resultate.
Umdet de greuj vaan sferuliete in de polymeer tied-aafhankelik is, is de ionische geleidingsvermoge bie temperature oonder ‘t smeltpunt vaan de polymeer ouch tied-aafhankelik. Daoneve is de lithium-iongeleiding vaan polymeerelektrolyte gerelateerd aon de verhittingssnelheid, de keulingssnelheid en de ontspanningstied. ‘n Langere relaxatietied resulteert beveurbeeld in ‘n completere polymeerkristalstructuur en ‘n hoegere kristalliniteit, wat leidt tot ‘n geleideleke aafname vaan de ionische geleidingsvermoge tot ‘n minimum mèt touwnummende relaxatietied. Op dezelfde meneer resulteert ‘n langzamere keulingssnelheid in ‘n volledigere kristallisatie, en de euvereinkomstige ionische geleidingsvermoge zal ouch geleidelik tot ‘n minimum afnumme.
Door de binaire vaste polymeerelektrolyt vaan PEO en LiCIO4 es veurbeeld te numme, bevat dees structuur meerdere fasestructure. Iers kinne LiClO4 en PEO versjèllende complexe vörme, boe-oonder PEO6-LiCIO4, PEO3-LiCIO4, PEO2-LiCIO4 en PEO-LiClO4. Onder hen, es O:Li=10:1, kin PEO6-LiCIO4 un eutectic mit PEO vörme, mit un smeltpunt vaan 50 graode. Daoneve, es de temperatuur tot 160 graode weurt verhoeg, kin ‘n groete eutectic vörme. Tijdens ‘t keulproces zal de groete eutectic drei versjillende soorte sferuliete producere: ‘t ierste soort smelt bove 120 graode en heet ‘n hoeg zoutgehalte; ‘t twiede soort smelt tusse 45 en 60 graode, heet ‘n lieg zoutgehalte en vörmp zich langzaam; ‘t derde type heet ‘n smeltpunt get lieger es de gashierpolymeer en vörmp zich sneller. Oonderzeuk en analyse suggerere dat: ‘t ierste soort sferuliet waorsjienlik PEO3-LiCIO4 is; ‘t twiede type kin ‘n mengsel vaan PEO-LiCIO4 en PEO3-LiCIO4 complexe zien; en ‘t derde type kump euverein mit PEO zelf. Daoneve kinne ‘t lithiumzaajtgehalte en ‘t wermtebehandelingsproces allebei leije tot structurele veranderinge.
Polymeerelektrolyte zien ‘n klasse vaan functionele polymeermateriaole mèt ‘n hoege ionische geleidingsvermoge, gevörmp door complexatiereacties tusse polymere en metaolzajte mèt polymere es matrix. Aafhankelik vaan de polymeermatrix, umvatte algemein polymeerelektrolyte PEO-gebaseerde polymeerelektrolyte, PVDE-gebaseerde polymeerelektrolyte, PMMA-gebaseerde polymeerelektrolyte en aandere. In taegesjtelling tot inorganische vas-elektrolyte zien polymeerelektrolyte lichtgewich, elastisch en stabiel. Net wie inorganische vas-elektrolyte, geleide polymeerelektrolyte neet allein ione in lithium-ionbatterieje, mer fungere ouch es batterijsjeiers. Polymeerelektrolyte höbbe veural de volgende veurdeile:
‘t Kin ‘t probleem vaan lithiumdendrietvörming in lithium-ionbatterieje effectief oplosse
‘t Kin zich good aonpasse aan de vervörming tijdens ‘t oplaad- en oontlaadproces vaan lithium-ionbatterieje
‘t Kin de chemische reactie tösse ‘t elektrolyt- en elektrodemateriaol in lithium-ionbatterieje vermindere of zelfs eliminere
‘t Heet hoege veiligheidsprestaties
De complexe gevörmp door versjillende lithiumzojte (inclusief LBF4, LIPF6, LiCFSO4 en LiASF6) mit PEO zien in principe geliek aon die gevörmp door LiCIO4, wat beteikent dat ‘t soort lithiumzaajt gein directe invlood heet op ‘t soort complex gevörmp mit PEO. LiBF kin in ‘t biezoonder twie complexe vörme mit PEO: PEO4-LIBF en PEO,S-LiBF. Es de O/Li-ratio tösse 16 en 20 ligk, kin PEO2.5-LIBF4 ‘n eutectic mèt PEO vörme. LPF6 kin ouch twie complexe vörme mit PEO: PEO6-LiPF6 en PEO:-LiPF6. De twie complexe gevörmp door LiASF6 mit PEO zien vergeliekbaar mit die vaan LiPF6, mer mit relatief hoegere smeltpunte. Groete anion lithiumzajte kinne ouch complexe vörme mit PEO, mer de kinetica is väöl langzaamer. Daoneve beïnvlood de drök ouch de greuj vaan kristalle tot op zekere huugte. Hogere druk bevordert de greuj vaan sferuliet, vermindert ‘t amorfe gebeed en vermindert de geleidingsvermoge vaan de lithium-ion.