Պինդ էլեկտրոլիտների ներածություն

 

Պինդ էլեկտրոլիտները շատ առավելություններ ունեն հեղուկ էլեկտրոլիտների նկատմամբ: Օրինակ, նրանք կարող են մեղմել էլեկտրոդների դեֆորմացիան լիցքավորման և լիցքաթափման ժամանակ՝ բարելավելով անվտանգությունը: Նրանք ունեն նաև գերազանց կայունություն, հեշտ է մշակվում և աճում ենլիթիումդենդրիտները կարող են նվազագույնի հասցնել լուծիչ-ազատ պինդ պոլիմերային էլեկտրոլիտներում:

Պինդ պոլիմերային էլեկտրոլիտներով լիթիում-իոնային մարտկոցները կարող են կանխել հեղուկ էլեկտրոլիտների հետ կապված արտահոսքի խնդիրները:

Պոլիմերները հեշտ են մշակվում և կարող են մանրացված լինել: Իրենց բարձր պլաստիկության շնորհիվ պոլիմերները կարող են օգտագործվել նաև բարակ թաղանթային մարտկոցներ ստեղծելու համար: Մարտկոցների տարբեր կառուցվածքներ կարող են արտադրվել՝ օգտագործելով պոլիմերային էլեկտրոլիտներ՝ կիրառման տարբեր պահանջները բավարարելու համար: Ավելին, պոլիմերային էլեկտրոլիտներն առաջարկում են ավելի բարձր քիմիական, էլեկտրաքիմիական և ջերմային կայունություն՝ համեմատած հեղուկ էլեկտրոլիտների հետ՝ էլեկտրոդների հետ ավելի քիչ կողմնակի ռեակցիաներով և աշխատանքային ջերմաստիճանի ավելի լայն շրջանակով: Պոլիմերային էլեկտրոլիտների ճկունությունը կարող է բուֆերացնել էլեկտրոդների ծավալի փոփոխությունները լիցքավորման և լիցքաթափման ժամանակ՝ կայունացնելով մարտկոցի կառուցվածքը: Հետևաբար, հեղուկ-իոնային մարտկոցների առևտրայնացումից հետո պոլիմերային էլեկտրոլիտների վրա հիմնված լիթիումի-իոնային մարտկոցների տեխնոլոգիան արագորեն կզարգանա և կհասնի հաջող առևտրայնացման:

Պոլիմերային էլեկտրոլիտների դասակարգման բազմաթիվ մեթոդներ կան, և ստանդարտները տարբեր են: Ներկայումս պինդ պոլիմերային էլեկտրոլիտները հիմնականում տարբերվում են ըստ օգտագործվող պոլիմերների տեսակի, ինչպիսիք են ամենահայտնի պոլիէթեր-հիմնված պոլիէթիլենային օքսիդը (PEO), ինչպես նաև պոլիմեթիլմետակրիլատը (PMMA) և պոլիակրիլոնիտրիլը (PAN): Ընդհանուր առմամբ, պոլիմերային էլեկտրոլիտները պետք է համապատասխանեն հետևյալ պայմաններին, որպեսզի գործնականում օգտագործվեն լիթիումային-իոնային մարտկոցներում։

Ներկայիս պոլիմերային էլեկտրոլիտային համակարգերում պոլիմերները զգալի բյուրեղություն են ցուցաբերում սենյակային ջերմաստիճանում, ինչը բացատրում է, թե ինչու սենյակային ջերմաստիճանում պինդ պոլիմերային էլեկտրոլիտների հաղորդունակությունը շատ ավելի ցածր է, քան հեղուկ էլեկտրոլիտներինը: Պոլիմերների բյուրեղների մեծ մասը սֆերուլիտներ են, որոնց միջև կան ամորֆ շրջաններ: Ընդհանրապես ենթադրվում է, որ լիթիումի-իոնային փոխանցումը հիմնականում տեղի է ունենում այս ամորֆ շրջաններում:

Հետևաբար, պոլիմերների փուլային կառուցվածքը հասկանալը օգտակար է լիթիումի-իոնային հաղորդման մեխանիզմը ուսումնասիրելու համար:

Երկուական պոլիմերային էլեկտրոլիտային համակարգերի համար ֆազային կառուցվածքը հիմնականում բաղկացած է երկու տեսակից՝ բյուրեղային շրջաններ և ամորֆ շրջաններ: Բյուրեղային շրջանների ձևավորումը կինետիկորեն պայմանավորված է և անմիջականորեն կապված է պատրաստման հատուկ պայմանների և ժամանակի հետ: Խստորեն ասած, պոլիմերային համակարգում բյուրեղային շրջանների առկայության և տարբեր պայմաններով այդ շրջանների զգալի փոփոխության պատճառով, տարբեր տեսակի պոլիմերային էլեկտրոլիտների հաղորդունակությունը համեմատելը այնքան էլ գիտական ​​չէ: Այնուամենայնիվ, որոշակի պայմաններում, եթե բյուրեղային շրջանների աճը դանդաղ է, և իոնային հաղորդունակության շեղումը գտնվում է ընդունելի միջակայքում, հաղորդունակության համեմատությունը ընդունելի է: Ահա թե ինչու մենք հաճախ համեմատում ենք տարբեր արդյունքներ:

Քանի որ պոլիմերում սֆերուլիտների աճը կախված է ժամանակից,-իոնային հաղորդունակությունը պոլիմերի հալման կետից ցածր ջերմաստիճաններում նույնպես կախված է ժամանակից: Ավելին, պոլիմերային էլեկտրոլիտների լիթիում-իոնային հաղորդունակությունը կապված է տաքացման արագության, հովացման արագության և թուլացման ժամանակի հետ: Օրինակ, ավելի երկար թուլացման ժամանակը հանգեցնում է ավելի ամբողջական պոլիմերային բյուրեղային կառուցվածքի և ավելի բարձր բյուրեղականության, ինչը հանգեցնում է իոնային հաղորդունակության աստիճանական նվազմանը նվազագույնի` թուլացման ժամանակի ավելացման հետ միասին: Նմանապես, ավելի դանդաղ սառեցման արագությունը հանգեցնում է ավելի ամբողջական բյուրեղացման, և համապատասխան իոնային հաղորդունակությունը նույնպես աստիճանաբար կնվազի նվազագույնի:

իմանալ ավելին

Որպես օրինակ վերցնելով PEO-ի և LiCIO4-ի երկուական պինդ պոլիմերային էլեկտրոլիտը, այս կառուցվածքը պարունակում է մի քանի փուլային կառուցվածքներ: Նախ, LiClO4-ը և PEO-ն կարող են ձևավորել տարբեր բարդույթներ, ներառյալ PEO6-LiCIO4, PEO3-LiCIO4, PEO2-LiCIO4 և PEO-LiClO4: Դրանց թվում, երբ O:Li=10:1, PEO6-LiCIO4-ը կարող է PEO-ի հետ ձևավորել էվեկտիկա՝ 50 աստիճան հալման կետով: Բացի այդ, երբ ջերմաստիճանը բարձրացվում է մինչև 160 աստիճան, կարող է ձևավորվել մեծ էվեկտիկա: Սառեցման գործընթացի ընթացքում մեծ էվեկտիկան կառաջացնի երեք տարբեր տեսակի սֆերուլիտներ. առաջին տեսակը հալվում է 120 աստիճանից բարձր և ունի աղի բարձր պարունակություն; երկրորդ տեսակը հալվում է 45-ից 60 աստիճանի միջակայքում, ունի ցածր աղի պարունակություն և դանդաղ ձևավորվում. երրորդ տեսակն ունի հալման կետ մի փոքր ավելի ցածր, քան հյուրընկալող պոլիմերն ու ավելի արագ է ձևավորվում: Հետազոտությունները և վերլուծությունները ցույց են տալիս, որ սֆերուլիտի առաջին տեսակը հավանական է PEO3-LiCIO4; երկրորդ տեսակը կարող է լինել PEO-LiCIO4 և PEO3-LiCIO4 համալիրների խառնուրդ; իսկ երրորդ տեսակը համապատասխանում է հենց PEO-ին։ Ավելին, լիթիումի աղի պարունակությունը և ջերմային մշակման գործընթացը կարող են երկուսն էլ հանգեցնել կառուցվածքային փոփոխությունների:

Պոլիմերային էլեկտրոլիտները բարձր իոնային հաղորդունակությամբ ֆունկցիոնալ պոլիմերային նյութերի դաս են, որոնք ձևավորվում են պոլիմերների և մետաղական աղերի միջև կոմպլեքսավորման ռեակցիաների արդյունքում՝ օգտագործելով պոլիմերները որպես մատրիցա։ Կախված պոլիմերային մատրիցից՝ սովորական պոլիմերային էլեկտրոլիտները ներառում են PEO-հիմնված պոլիմերային էլեկտրոլիտներ, PVDE-հիմնված պոլիմերային էլեկտրոլիտներ, PMMA-հիմնված պոլիմերային էլեկտրոլիտներ և այլն։ Ի տարբերություն անօրգանական պինդ-էլեկտրոլիտների՝ պոլիմերային էլեկտրոլիտները թեթև են, առաձգական և կայուն։ Ինչպես անօրգանական պինդ-էլեկտրոլիտները, այնպես էլ պոլիմերային էլեկտրոլիտները ոչ միայն իոններ են անցկացնում լիթիումային-իոնային մարտկոցներում, այլև գործում են որպես մարտկոցների բաժանարարներ: Պոլիմերային էլեկտրոլիտները հիմնականում ունեն հետևյալ առավելությունները.

Լիթիումի տարբեր աղերի (ներառյալ LBF4, LIPF6, LiCFSO4 և LiASF6) ձևավորված բարդույթները PEO-ի հետ հիմնականում նման են LiCIO4-ի ձևավորվածներին, ինչը նշանակում է, որ լիթիումի աղի տեսակը ուղղակիորեն չի ազդում PEO-ով ձևավորված բարդույթի տեսակի վրա: Մասնավորապես, LiBF-ը կարող է PEO-ի հետ ձևավորել երկու համալիր՝ PEO4-LIBF և PEO,S-LiBF: Երբ O/Li հարաբերակցությունը 16-ի և 20-ի միջև է, PEO2.5-LIBF4-ը կարող է էվեկտիկա ձևավորել PEO-ի հետ: LPF6-ը կարող է նաև PEO-ի հետ ձևավորել երկու համալիր՝ PEO6-LiPF6 և PEO:-LiPF6: LiASF6-ի կողմից PEO-ի հետ ձևավորված երկու բարդույթները նման են LiPF6-ին, բայց համեմատաբար ավելի բարձր հալման կետերով: Անիոնային լիթիումի խոշոր աղերը կարող են նաև բարդույթներ ստեղծել PEO-ի հետ, սակայն կինետիկան շատ ավելի դանդաղ է: Ավելին, ճնշումը որոշ չափով ազդում է նաև բյուրեղների աճի վրա: Բարձր ճնշումը նպաստում է սֆերուլիտների աճին, նվազեցնում է ամորֆ շրջանը և, համապատասխանաբար, նվազեցնում է լիթիում-իոնային հաղորդունակությունը: