ข้อดีของการใช้อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็ง

อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งเป็นแนวโน้มในการพัฒนาอิเล็กโทรไลต์แบตเตอรี่ลิเธียมในอนาคตเนื่องจากเทคโนโลยีแบตเตอรี่อิเล็กโทรไลต์แบบแข็งได้พัฒนามาจนถึงปัจจุบัน จากมุมมองทางเทคนิคอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งสามารถแบ่งออกเป็นอิเล็กโทรไลต์ออกไซด์อิเล็กโทรไลต์ซัลไฟด์อิเล็กโทรไลต์โพลีเมอร์อินทรีย์และอิเล็กโทรไลต์ LiPON เรียกได้ว่าโตพอสมควร แต่ก็เจอปัญหาคอขวดเช่นกัน การถือกำเนิดของเทคโนโลยีรุ่นใหม่เป็นสิ่งที่จำเป็นอย่างเร่งด่วนโดยเฉพาะอย่างยิ่งในด้านพลังงานใหม่ คาดว่าแบตเตอรี่โซลิดสเตทจะกลายเป็นแบตเตอรี่ที่น่าสนใจที่สุดในบรรดาเทคโนโลยีแบตเตอรี่พลังงานรุ่นใหม่ เนื่องจากแบตเตอรี่ออล - โซลิดสเตตไม่เพียง แต่มีวุฒิภาวะทางเทคโนโลยีที่ค่อนข้างสูง บริษัท แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทั้งในและต่างประเทศหลายแห่งยังถือว่าเทคโนโลยีแบตเตอรี่ออล - โซลิดสเตตเป็นเทคโนโลยีสำรองที่สำคัญในยุคหน้า

ในการพัฒนาเทคโนโลยีแบตเตอรี่โซลิดสเตตในช่วงแรกเนื่องจากวัสดุอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งมีค่าการนำไฟฟ้าค่อนข้างต่ำจุดเน้นของการวิจัยและพัฒนาส่วนใหญ่อยู่ที่การปรับปรุงการนำไฟฟ้าของอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็ง ดังนั้นอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งซัลไฟด์และอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งออกไซด์ที่มีค่าการนำไฟฟ้าไอออนิกสูงจึงได้รับความสนใจอย่างกว้างขวาง

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบโซลิดสเตตทั้งหมดใช้อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งแทนอิเล็กโทรไลต์ของเหลวอินทรีย์แบบดั้งเดิมซึ่งสามารถแก้ปัญหาด้านความปลอดภัยของแบตเตอรี่ได้ดีและเป็นแหล่งพลังงานเคมีที่เหมาะสำหรับรถยนต์ไฟฟ้าและการจัดเก็บพลังงานขนาดใหญ่ กุญแจสำคัญคือการเตรียมอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งที่มีความสามารถในการนำไฟฟ้าในอุณหภูมิห้องสูงและความเสถียรทางเคมีไฟฟ้าตลอดจนวัสดุอิเล็กโทรดพลังงานสูงที่เหมาะสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนโซลิดสเตตทั้งหมดและเพื่อปรับปรุงความเข้ากันได้ของอินเทอร์เฟซอิเล็กโทรด / อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็ง

แบตเตอรี่ลิเธียมโซลิดสเตตได้รับการพัฒนาโดยใช้แบตเตอรี่ลิเธียม เมื่อเปรียบเทียบกับแบตเตอรี่ลิเธียมแบบเดิมส่วนใหญ่จะไม่ใช้ของเหลวหรือเจลเป็นวัสดุนำไฟฟ้าระหว่างขั้วบวกและขั้วลบอีกต่อไปซึ่งจะช่วยเพิ่มความปลอดภัยของรถและความสามารถในการทนต่ออุณหภูมิสูง . มีข้อดีของความปลอดภัยสูงความหนาแน่นของพลังงานสูงอายุการใช้งานยาวนานและช่วงอุณหภูมิในการทำงานที่กว้างซึ่งแกนหลักคืออิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็ง

อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งของออกไซด์สามารถแบ่งออกเป็นผลึกและแก้ว (อสัณฐาน) ตามโครงสร้างของวัสดุ อิเล็กโทรไลต์แบบผลึก ได้แก่ ชนิดเพอรอฟสค์ชนิด NASICON ชนิดลิซิคอนและชนิดโกเมนเป็นต้นอิเล็กโทรไลต์ออกไซด์ที่เป็นแก้วจุดสำคัญในการวิจัยคืออิเล็กโทรไลต์ประเภท LiPON ที่ใช้ในแบตเตอรี่ฟิล์มบาง

อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งผลึกออกไซด์มีความเสถียรทางเคมีสูงและสามารถคงตัวอยู่ในบรรยากาศได้ซึ่งเป็นประโยชน์ต่อการผลิตแบตเตอรี่โซลิดสเตตในปริมาณมาก จุดเน้นของการวิจัยคือการปรับปรุงสภาพการนำไอออนิกในอุณหภูมิห้องและความเข้ากันได้กับอิเล็กโทรด ในปัจจุบันวิธีการปรับปรุงการนำไฟฟ้าส่วนใหญ่เป็นการเปลี่ยนองค์ประกอบและการเติมองค์ประกอบต่างกันและความเข้ากันได้กับอิเล็กโทรดก็เป็นปัญหาสำคัญที่ จำกัด การใช้งาน

อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นผลึกซัลไฟด์ที่พบมากที่สุดคือ thio-LISICON ซึ่งค้นพบครั้งแรกโดยศาสตราจารย์ KANNO แห่งสถาบันเทคโนโลยีโตเกียวในระบบ Li2S-GeS2-P2S องค์ประกอบทางเคมีคือ Li4-xGe1-xPxS4 และการนำไอออนในอุณหภูมิห้องสูงถึง 2.2 × 10 -3S / cm (โดยที่ x=0.75) และสามารถละเว้นการนำไฟฟ้าได้ สูตรทางเคมีทั่วไปของ thio-LISICON คือ Li4-xGe1-xPxS4 (A=Ge, Si, ฯลฯ , B=P, Al, Zn ฯลฯ )

อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งของแก้วซัลไฟด์มักประกอบด้วย P2S5, SiS2, B2S3 และตัวสร้างเครือข่ายอื่น ๆ และตัวปรับแต่งเครือข่าย Li2S ระบบส่วนใหญ่ประกอบด้วย Li2S-P2S5, Li2S-SiS2, Li2S-B2S3 องค์ประกอบมีช่วงการเปลี่ยนแปลงที่หลากหลายการนำไอออนในอุณหภูมิห้องสูงเสถียรภาพทางความร้อนสูงประสิทธิภาพด้านความปลอดภัยที่ดีและหน้าต่างเสถียรภาพทางเคมีไฟฟ้าที่กว้าง (สูงสุด 5V) มีข้อได้เปรียบที่โดดเด่นในแบตเตอรี่โซลิดสเตตที่ใช้พลังงานสูงและอุณหภูมิต่ำและมีศักยภาพที่ดีของวัสดุอิเล็กโทรไลต์ของแบตเตอรี่โซลิดสเต

อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งของโพลีเมอร์ประกอบด้วยเมทริกซ์โพลีเมอร์ (เช่นโพลีเอสเตอร์โพลีเมอเรสและโพลีเอมีนเป็นต้น) และเกลือลิเธียม (เช่น LiClO4, LiAsF4, LiPF6, LiBF4 เป็นต้น) เนื่องจากมีน้ำหนักเบามีความหนืดดีและยอดเยี่ยม ประสิทธิภาพการประมวลผลเชิงกลและลักษณะอื่น ๆ ได้รับความสนใจอย่างกว้างขวาง

SPE ที่พบบ่อย ได้แก่ polyethylene oxide (PEO), polyacrylonitrile (PAN), polyvinylidene fluoride (PVDF), polymethylmethacrylate (PMMA), polypropylene oxide (PPO), polyvinylidene chloride (PVDC) และระบบอิเล็กโทรไลต์โพลิเมอร์ไอออนเดี่ยว

ในปัจจุบันเมทริกซ์ SPE หลักยังคงเป็น PEO และอนุพันธ์ที่เสนอเป็นครั้งแรกเนื่องจากความเสถียรของ PEO ต่อลิเธียมโลหะและความสามารถในการแยกเกลือลิเธียมได้ดีขึ้น

อิเล็กโทรไลต์ LiPON ผลิตโดย Oak Ridge National Laboratory (ORNL) ในสหรัฐอเมริกา ฟิล์มอิเล็กโทรไลต์ลิเธียมฟอสฟอรัสออกซิไนไตรด์ (LiPON) ถูกเตรียมโดยการสปัตเตอร์เป้าหมาย Li3P04 ที่มีความบริสุทธิ์สูงโดยใช้อุปกรณ์สปัตเตอริงแมกนีตรอนความถี่วิทยุในบรรยากาศไนโตรเจนที่มีความบริสุทธิ์สูง

เป็นที่เข้าใจกันว่าวัสดุมีประสิทธิภาพการทำงานที่ยอดเยี่ยมการนำไอออนิกในอุณหภูมิห้องคือ 2.3 × 10-6S / cm หน้าต่างไฟฟ้าเคมีคือ 5.5V (http://vs.Li/Li+) เสถียรภาพทางความร้อนดี และขั้วไฟฟ้าบวกเช่น LiCoO2, LiMn2O4 และขั้วลบเช่นโลหะลิเธียมและโลหะผสมลิเธียมมีความเข้ากันได้ดี การนำไอออนิกของฟิล์ม LiPON ขึ้นอยู่กับโครงสร้างอสัณฐานและปริมาณ N ในวัสดุฟิล์ม การเพิ่มขึ้นของปริมาณ N สามารถปรับปรุงการนำไฟฟ้าไอออนิกได้