รู้เบื้องต้นเกี่ยวกับอิเล็กโทรไลต์แข็ง

 

อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งมีข้อดีมากกว่าอิเล็กโทรไลต์เหลวหลายประการ ตัวอย่างเช่น สามารถลดการเสียรูปของอิเล็กโทรดในระหว่างการชาร์จและการคายประจุ ซึ่งช่วยเพิ่มความปลอดภัย พวกเขายังมีเสถียรภาพที่ดีเยี่ยม ง่ายต่อการประมวลผล และการเติบโตของลิเธียมเดนไดรต์สามารถถูกทำให้เหลือน้อยที่สุดได้ในอิเล็กโทรไลต์โพลีเมอร์ที่เป็นของแข็ง-ที่เป็นตัวทำละลาย

แบตเตอรี่ลิเธียม-ที่ใช้อิเล็กโทรไลต์โพลีเมอร์ที่เป็นของแข็งสามารถป้องกันปัญหาการรั่วไหลที่เกี่ยวข้องกับอิเล็กโทรไลต์ของเหลวได้

โพลีเมอร์นั้นง่ายต่อการแปรรูปและสามารถย่อขนาดได้ เนื่องจากมีความเป็นพลาสติกสูง จึงสามารถใช้โพลีเมอร์เพื่อสร้างแบตเตอรี่แบบฟิล์มบาง-ได้ โครงสร้างแบตเตอรี่ที่แตกต่างกันสามารถประดิษฐ์ขึ้นได้โดยใช้โพลีเมอร์อิเล็กโทรไลต์เพื่อตอบสนองความต้องการในการใช้งานที่หลากหลาย นอกจากนี้ โพลีเมอร์อิเล็กโทรไลต์ยังมีความเสถียรทางเคมี ไฟฟ้าเคมี และความร้อนสูงกว่าเมื่อเทียบกับอิเล็กโทรไลต์ของเหลว โดยมีปฏิกิริยาข้างเคียงกับอิเล็กโทรดน้อยกว่าและมีช่วงอุณหภูมิการทำงานที่กว้างขึ้น ความยืดหยุ่นของโพลีเมอร์อิเล็กโทรไลต์สามารถบัฟเฟอร์การเปลี่ยนแปลงปริมาตรในอิเล็กโทรดระหว่างการชาร์จและการคายประจุ ทำให้โครงสร้างแบตเตอรี่มีความเสถียร ดังนั้น หลังจากการจำหน่ายแบตเตอรี่-ไอออนเหลวในเชิงพาณิชย์ เทคโนโลยีแบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออนที่ใช้อิเล็กโทรไลต์โพลีเมอร์จะพัฒนาอย่างรวดเร็วและประสบความสำเร็จในเชิงพาณิชย์

มีหลายวิธีในการจำแนกประเภทอิเล็กโทรไลต์โพลีเมอร์ และมาตรฐานจะแตกต่างกันไป ในปัจจุบัน อิเล็กโทรไลต์โพลีเมอร์ที่เป็นของแข็งส่วนใหญ่มีความโดดเด่นตามประเภทของโพลีเมอร์ที่ใช้ เช่น โพลีเอทิลีนออกไซด์ (PEO) ที่มีส่วนประกอบหลักเป็นโพลีเอเทอร์{1}} ที่มีชื่อเสียงที่สุด รวมถึงโพลีเมทิลเมทาคริเลต (PMMA) และโพลีอะคริโลไนไตรล์ (PAN) โดยทั่วไปแล้ว โพลีเมอร์อิเล็กโทรไลต์จะต้องตรงตามเงื่อนไขต่อไปนี้จึงจะนำไปใช้จริงในแบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออนได้

ในระบบอิเล็กโทรไลต์โพลีเมอร์ในปัจจุบัน โพลีเมอร์แสดงความเป็นผลึกอย่างมีนัยสำคัญที่อุณหภูมิห้อง ซึ่งอธิบายว่าทำไมค่าการนำไฟฟ้าของอิเล็กโทรไลต์โพลีเมอร์ที่เป็นของแข็งที่อุณหภูมิห้องจึงต่ำกว่าค่าอิเล็กโทรไลต์ของเหลวมาก ผลึกในโพลีเมอร์ส่วนใหญ่เป็นสเฟียรูไลต์ โดยมีบริเวณอสัณฐานอยู่ระหว่างพวกมัน เป็นที่เชื่อกันโดยทั่วไปว่าการนำลิเธียม-เกิดขึ้นเป็นหลักในบริเวณที่ไม่มีรูปร่างเหล่านี้

ดังนั้น การทำความเข้าใจโครงสร้างเฟสของโพลีเมอร์จึงเป็นประโยชน์สำหรับการศึกษากลไกการนำลิเธียม-ไอออน

สำหรับระบบอิเล็กโทรไลต์โพลีเมอร์แบบไบนารี โครงสร้างเฟสส่วนใหญ่ประกอบด้วยสองประเภท: บริเวณผลึกและบริเวณอสัณฐาน การก่อตัวของบริเวณที่เป็นผลึกถูกขับเคลื่อนโดยจลนศาสตร์และเกี่ยวข้องโดยตรงกับสภาวะและเวลาในการเตรียมการเฉพาะ หากพูดอย่างเคร่งครัด เนื่องจากการมีอยู่ของบริเวณผลึกในระบบโพลีเมอร์ และความแปรผันที่สำคัญของบริเวณเหล่านี้ด้วยสภาวะที่แตกต่างกัน การเปรียบเทียบค่าการนำไฟฟ้าของอิเล็กโทรไลต์โพลีเมอร์ประเภทต่างๆ จึงไม่ใช่เรื่องทางวิทยาศาสตร์มากนัก อย่างไรก็ตาม ภายใต้เงื่อนไขบางประการ หากการเติบโตของบริเวณผลึกช้าและการเบี่ยงเบนของค่าการนำไฟฟ้าของไอออนิกอยู่ภายในช่วงที่ยอมรับได้ การเปรียบเทียบค่าการนำไฟฟ้าก็เป็นที่ยอมรับได้ นี่คือเหตุผลที่เรามักจะเปรียบเทียบผลลัพธ์ที่แตกต่างกัน

เนื่องจากการเติบโตของสเฟียรูไลต์ในโพลีเมอร์นั้นขึ้นอยู่กับเวลา- ค่าการนำไฟฟ้าของไอออนิกที่อุณหภูมิต่ำกว่าจุดหลอมเหลวของโพลีเมอร์จึงขึ้นอยู่กับเวลา-ด้วย นอกจากนี้ ค่าการนำไฟฟ้าลิเธียม-ไอออนของอิเล็กโทรไลต์โพลีเมอร์ยังสัมพันธ์กับอัตราการให้ความร้อน อัตราการทำความเย็น และเวลาผ่อนคลาย ตัวอย่างเช่น เวลาผ่อนคลายที่นานขึ้นส่งผลให้โครงสร้างผลึกโพลีเมอร์มีความสมบูรณ์มากขึ้นและมีความเป็นผลึกสูงขึ้น ส่งผลให้ค่าการนำไฟฟ้าของไอออนิกลดลงทีละน้อยจนเหลือน้อยที่สุดพร้อมกับเวลาผ่อนคลายที่เพิ่มขึ้น ในทำนองเดียวกัน อัตราการเย็นตัวที่ช้าลงส่งผลให้เกิดการตกผลึกที่สมบูรณ์ยิ่งขึ้น และค่าการนำไฟฟ้าไอออนิกที่สอดคล้องกันก็จะค่อยๆ ลดลงจนเหลือค่าต่ำสุดเช่นกัน

เรียนรู้เพิ่มเติม

ยกตัวอย่างอิเล็กโทรไลต์โพลีเมอร์โซลิดไบนารีของ PEO และ LiCIO4 โครงสร้างนี้ประกอบด้วยโครงสร้างหลายเฟส ประการแรก LiClO4 และ PEO สามารถสร้างสารเชิงซ้อนได้หลากหลาย รวมถึง PEO6-LiCIO4, PEO3-LiCIO4, PEO2-LiCIO4 และ PEO-LiClO4 ในหมู่พวกเขา เมื่อ O:Li=10:1, PEO6-LiCIO4 สามารถสร้างยูเทคติกด้วย PEO โดยมีจุดหลอมเหลว 50 องศา นอกจากนี้เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นถึง 160 องศา จะเกิดยูเทคติกขนาดใหญ่ขึ้น ในระหว่างกระบวนการทำความเย็น ยูเทคติกขนาดใหญ่จะผลิตสเฟียรูไลต์ที่แตกต่างกันสามประเภท โดยประเภทแรกจะละลายที่อุณหภูมิสูงกว่า 120 องศา และมีปริมาณเกลือสูง แบบที่สองละลายที่อุณหภูมิ 45 ถึง 60 องศา มีปริมาณเกลือต่ำ และก่อตัวช้าๆ ประเภทที่สามมีจุดหลอมเหลวต่ำกว่าโฮสต์โพลีเมอร์เล็กน้อยและก่อตัวได้เร็วกว่า การวิจัยและการวิเคราะห์ชี้ให้เห็นว่า: สเฟียรูไลต์ประเภทแรกน่าจะเป็น PEO3-LiCIO4; ประเภทที่สองอาจเป็นส่วนผสมของคอมเพล็กซ์ PEO-LiCIO4 และ PEO3-LiCIO4 และประเภทที่สามสอดคล้องกับ PEO เอง นอกจากนี้ ปริมาณเกลือลิเธียมและกระบวนการบำบัดความร้อนสามารถนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างได้

โพลีเมอร์อิเล็กโทรไลต์เป็นประเภทของวัสดุโพลีเมอร์เชิงหน้าที่ซึ่งมีการนำไอออนิกสูง เกิดขึ้นจากปฏิกิริยาเชิงซ้อนระหว่างโพลีเมอร์กับเกลือของโลหะโดยใช้โพลีเมอร์เป็นเมทริกซ์ อิเล็กโทรไลต์โพลีเมอร์ทั่วไปขึ้นอยู่กับเมทริกซ์โพลีเมอร์ ได้แก่ อิเล็กโทรไลต์โพลีเมอร์ที่มี PEO- อิเล็กโทรไลต์โพลีเมอร์ที่มี PVDE- อิเล็กโทรไลต์โพลีเมอร์ที่มี PMMA- และอื่นๆ ต่างจากอิเล็กโทรไลต์สถานะของแข็ง-อนินทรีย์ อิเล็กโทรไลต์โพลีเมอร์มีน้ำหนักเบา ยืดหยุ่น และเสถียร เช่นเดียวกับอิเล็กโทรไลต์สถานะของแข็ง-อนินทรีย์ อิเล็กโทรไลต์โพลีเมอร์ไม่เพียงแต่นำไอออนในแบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออนเท่านั้น แต่ยังทำหน้าที่เป็นตัวแยกแบตเตอรี่อีกด้วย โพลีเมอร์อิเล็กโทรไลต์ส่วนใหญ่มีข้อดีดังต่อไปนี้:

สารเชิงซ้อนที่เกิดจากเกลือลิเธียมชนิดต่างๆ (รวมถึง LBF4, LIPF6, LiCFSO4 และ LiASF6) ที่มี PEO โดยพื้นฐานแล้วคล้ายคลึงกับเกลือที่เกิดจาก LiCIO4 ซึ่งหมายความว่าประเภทของเกลือลิเธียมไม่มีผลกระทบโดยตรงต่อประเภทของสารเชิงซ้อนที่เกิดขึ้นด้วย PEO โดยเฉพาะอย่างยิ่ง LiBF สามารถสร้างสารเชิงซ้อนสองชนิดด้วย PEO: PEO4-LIBF และ PEO,S-LiBF เมื่ออัตราส่วน O/Li อยู่ระหว่าง 16 ถึง 20 PEO2.5-LIBF4 สามารถสร้างยูเทคติกด้วย PEO LPF6 ยังสามารถสร้างสารเชิงซ้อนสองชนิดด้วย PEO: PEO6-LiPF6 และ PEO:-LiPF6 คอมเพล็กซ์ทั้งสองที่เกิดจาก LiASF6 พร้อม PEO นั้นคล้ายคลึงกับ LiPF6 แต่มีจุดหลอมเหลวค่อนข้างสูงกว่า เกลือลิเธียมไอออนขนาดใหญ่สามารถสร้างสารเชิงซ้อนด้วย PEO ได้ แต่จลนศาสตร์จะช้ากว่ามาก นอกจากนี้ความกดดันยังส่งผลต่อการเติบโตของคริสตัลด้วย ความดันที่สูงขึ้นส่งเสริมการเติบโตของสเฟียรูไลต์ ลดบริเวณสัณฐาน และลดการนำไฟฟ้าลิเธียมไอออนตามลำดับ