Inngangur til fastar elektrolytir

 

Fastar elektrolyttar hava nógvar fyrimunir fram um flótandi elektrolyttar. Til dømis kunnu tey minka um elektroduavformingina undir løðing og útløðing, og betra um trygdina. Tey hava eisini framúr stabilitet, eru løtt at virka, og vøksturin avlitiumdendritir kunnu minkast í upploysara-fríum fast polymer elektrolytum.

Litium-ion battarí, sum brúka fast polymer elektrolytt, kunnu fyribyrgja lekatrupulleikum, sum eru knýttir at flótandi elektrolytum.

Polymerar eru lættar at virka og kunnu miniaturiserast. Vegna teirra høgu plastisitet kunnu polymerir eisini brúkast til at skapa tunn-filmbattarí. Ymiskar battaríkonstruktiónir kunnu framleiðast við at brúka polymerelektrolyttar til at lúka ymisk umsóknarkrøv. Harumframt bjóða polymerelektrolyttar størri kemiskan, elektrokemiskan og termiskan stabilitet í mun til flótandi elektrolyttar, við færri síðureaktiónum við elektrodunum og einum breiðari rakstrarhitabili. Smidleikin hjá polymerelektrolytum kann puffera rúmdarbroytingar í elektrodunum undir løðing og útløðing, og stabilisera battaríbygnaðin. Tí fer litium-ion battarítøkni, sum er grundað á polymerelektrolytir, skjótt at mennast og fáa væleydnaða handilsliga nýtslu av flótandi-ionbattaríum.

Tað eru nógvir háttaløg at flokka polymerelektrolyttar, og standardirnir eru ymiskir. Í løtuni verða fastar polymer-elektrolyttar í høvuðsheitum skildar eftir slagnum av polymeri, sum verður nýtt, so sum tað kendasta polyeter-baseraða polyetylenoxidið (PEO), umframt polymetylmetakrylat (PMMA) og polyakrylonitril (PAN). Yvirhøvur mugu polymerelektrolyttar lúka hesar treytir fyri at kunna ítøkiliga nýtast í litium-ion battaríum.

Í verandi polymerelektrolyttskipanum vísa polymerir munandi krystallinitet við stovuhita, sum greiðir frá, hví leiðslan hjá fast-polymerelektrolytum við stovuhita er nógv lægri enn hjá flótandi elektrolytum. Flestu krystallar í polymerum eru sferulitir, við amorfum økjum ímillum teir. Alment verður hildið, at litium-ionleiðsla fyrst og fremst hendir í hesum amorfu økjunum.

Tí er tað hjálpsamt at skilja fasubygnaðin hjá polymerum til at kanna litium-ionleiðslumekanismuna.

Fyri binærar polymer elektrolyttskipanir er fasubygnaðurin í høvuðsheitum tvey sløg: krystallisk øki og amorf øki. Myndugleikin av krystalliskum økjum er kinetiskt drivin og beinleiðis tengd at ávísum fyrireikingarviðurskiftum og tíð. Strangt sagt, orsakað av tilveruni av krystalliskum økjum í polymerskipanini, og týðandi variatiónini av hesum økjum við ymiskum umstøðum, er tað ikki serliga vísindaligt at samanbera leiðsluna hjá ymiskum sløgum av polymerelektrolytum. Men undir ávísum umstøðum, um vøksturin av krystalliskum økjum er seinur og frávikið í ionleiðsluni er innan fyri eitt góðtikið øki, er tað góðtikið at samanbera leiðsluna. Hetta er orsøkin til, at vit ofta samanbera ymisk úrslit.

Av tí at vøksturin av sferulitum í polymerinum er tíðar-avhengig, er ionleiðslan við hita undir smeltapunktinum hjá polymerinum eisini tíðar-avhengig. Harumframt er litium-ion leiðslan hjá polymerelektrolytum tengd at upphitingartíðini, kølitíðini og avslappningstíðini. Til dømis førir ein longri avslappningstíð til ein meira fullfíggjaðan polymerkrystallbygnað og størri krystallinitet, sum førir til eina stigvísa minking í ionleiðsluni til eitt minstamark við vaksandi avslappningstíð. Somuleiðis førir ein hægri kølitíð til fullkomnari krystallisering, og tilsvarandi ionleiðslan fer eisini stigvíst at minka til eitt minstamark.

lær meira

Taka vit binæra fasta polymelektrolytið av PEO og LiCIO4 sum dømi, so inniheldur hesin bygnaðurin fleirfasubygnaðir. Fyrst kunnu LiClO4 og PEO mynda ymisk kompleks, eitt nú PEO6{9}}LiCIO4, PEO3{25}}LiCIO4, PEO2-LiCIO4 og PEO-LiClO4. Millum teirra, tá O:Li=10:1, kann PEO6-LiCIO4 mynda eina eutektikk við PEO, við einum smeltapunkti á 50 stig . Harumframt kann, tá hitin verður hækkaður til 160 stig , ein stórur eutektikkur myndast. Undir køligongdini fer stóra eutektikkurin at framleiða trý ymisk sløg av sferulitum: fyrsta slagið bráðnar omanfyri 120 stig og hevur høgt saltinnihald; annað slagið bráðnar millum 45 og 60 stig , hevur lágt saltinnihald, og myndast spakuliga; triðja slagið hevur eitt smeltapunkt eitt sindur lægri enn vertspolymerin og myndast skjótari. Gransking og greining benda á, at: fyrsta slagið av sferuliti er sannlíkt PEO3-LiCIO4; annað slagið kann vera ein blanding av PEO-LiCIO4 og PEO3-LiCIO4 kompleksum; og triðja slagið svarar til sjálvt PEO. Harumframt kunnu litiumsaltinnihaldið og hitaviðgerðargongdin bæði føra til bygnaðarbroytingar.

Polymerelektrolyttar eru ein flokkur av funktionellum polymertilfari við høgari ionleiðslu, sum er myndað av komplekseringsreaktiónum millum polymerar og metalsalt við at brúka polymerar sum matrix. Alt eftir polymermatrixini eru vanligir polymelektrolyttar PEO-baseraðar polymerelektrolyttar, PVDE-baseraðar polymerelektrolyttar, PMMA-baseraðar polymerelektrolyttar og onnur. Ólíkt óorganiskum fast-elektrolytum eru polymerelektrolyttar lættar, elastiskar og støðugar. Eins og óorganiskar fast-elektrolyttar, leiða polymerelektrolyttar ikki bert ionir í litium-ionbattaríum, men virka eisini sum battarískiljarar. Polymerelektrolyttar hava í høvuðsheitum hesar fyrimunir:

Kompleksini, sum eru myndað av ymiskum litiumsaltum (íroknað LBF4, LIPF6, LiCFSO4, og LiASF6) við PEO, líkjast í grundini teimum, sum eru myndað av LiCIO4, og tað merkir, at slagið av litiumsalti ikki hevur nakra beinleiðis ávirkan á slagið av kompleksi, sum er myndað við PEO. Serliga kann LiBF mynda tvey kompleks við PEO: PEO4-LIBF og PEO,S-LiBF. Tá O/Li lutfallið er millum 16 og 20, kann PEO2,5-LIBF4 mynda eina eutektikk við PEO. LPF6 kann eisini mynda tvey kompleks við PEO: PEO6-LiPF6 og PEO:-LiPF6. Tey bæði kompleksini, sum LiASF6 myndar við PEO, líkjast teimum hjá LiPF6, men við lutfalsliga størri smeltipunktum. Stór anionlitiumsalt kunnu eisini mynda kompleks við PEO, men kinetikkurin er nógv hægri. Harumframt ávirkar trýstið eisini kristallvøksturin í ein ávísan mun. Hægri trýst stuðlar sferulittvøkstri, minkar um amorfa økið og minkar samsvarandi um litium-ion leiðsluna.