Discusión y análisis de la tecnología de baterías de polímero de iones de litio

1 características de la estructura de la batería de iones de litio

Los materiales activos positivos y negativos de las baterías de iones de litio son compuestos integrados. El Li + se extrae del electrodo positivo durante la carga y se inserta en el electrodo negativo a través del electrolito. Por el contrario, el proceso de carga y descarga de la batería es en realidad Li + incrustado en la ida y vuelta entre los dos electrodos. El proceso de extracción, por lo que esta batería también se llama "Batería de mecedora" (abreviado como RCB). El diagrama de reacción y la fórmula de reacción básica son los siguientes:

2. Tecnología de batería de polímero de iones de litio

2.1 Características de rendimiento de la batería de polímero de iones de litio

Una batería de iones de litio de polímero se refiere a una batería de iones de litio en la que un electrolito utiliza un electrolito de polímero sólido (SPE). La batería se forma compactando un colector de corriente de electrodo positivo, una película de electrodo positivo, una membrana de electrolito de polímero, una membrana de electrodo negativo y un colector de corriente de electrodo negativo, y se sella con una película compuesta de aluminio y plástico, y sus bordes son termosellado para obtener una batería de polímero de iones de litio. Dado que la membrana de electrolito es sólida, no hay problema de fugas y el grado de libertad en el diseño de la batería es grande, y se puede conectar en serie o en paralelo o en una estructura bipolar según sea necesario.

La batería de polímero de iones de litio tiene las siguientes características: 1 flexibilidad de forma; 2 energía específica de masa más alta (3 veces la batería MH-Ni); 3 ancho de ventana de estabilidad electroquímica de hasta 5 V; 4 seguridad y fiabilidad perfectas; 5 ciclo de vida más largo, menor pérdida de capacidad; 6 tasa de utilización de volumen; 7 una amplia gama de aplicaciones.

Sus indicadores de rendimiento de trabajo son los siguientes: voltaje de trabajo: 3.8V; energía específica: 130Wh / kg, 246Wh / L; ciclo de vida:> 300; autodescarga: <0,1% / mes; temperatura de trabajo: 253-328K; velocidad de carga: 1h 80% de capacidad; 3 ha 100% de capacidad; factores ambientales: no tóxico.

2.2 material del cátodo

Las características y el precio de una batería de iones de litio están estrechamente relacionados con su material de electrodo positivo. En general, el material del electrodo positivo debe satisfacer: (1) compatibilidad electroquímica con la solución de electrolito en el rango requerido de potencial de carga y descarga; (2) cinética del proceso de electrodo suave; (3) altamente reversible; (4) buena estabilidad en el aire en estado de litio completo, con el desarrollo de baterías de iones de litio, el trabajo de investigación sobre materiales de cátodo de alto rendimiento y bajo costo está en constante desarrollo. En la actualidad, la investigación se centra principalmente en los óxidos de metales de transición de litio, como el óxido de litio y cobalto, el óxido de litio y níquel y el óxido de litio y manganeso [1] (ver Tabla 1).

Tabla 1 Comparación de los tres materiales principales del cátodo para baterías de iones de litio

El óxido de litio y cobalto (LiCoO2) pertenece a la estructura de tipo α-NaFeO2 y tiene una estructura en capas bidimensional, que es adecuada para la desintercalación de iones de litio. Debido a su proceso de preparación simple, rendimiento estable, alta capacidad específica y buen rendimiento de ciclo, la mayoría de las baterías de iones de litio comerciales actuales utilizan LiCoO2 como material de electrodo positivo. Los métodos de síntesis incluyen principalmente el método de síntesis en fase sólida a alta temperatura y el método de síntesis en fase sólida a baja temperatura, así como métodos químicos suaves como el método de precipitación con ácido oxálico, el método sol-gel, el método frío-calor y el método de mezcla orgánica.

El óxido de litio y níquel (LiNiO2) es un compuesto estructural de tipo sal de roca con buena estabilidad a altas temperaturas. Debido a su baja tasa de autodescarga, bajos requisitos de electrolitos, ausencia de contaminación ambiental, recursos relativamente abundantes y precio razonable, es un material de cátodo prometedor para el óxido de cobalto y litio. En la actualidad, LiNiO2 se sintetiza principalmente mediante la reacción en fase sólida de Ni (NO3) 2, Ni (OH) 2, NiCO3, NiOOH y LiOH, LiNO3 y LiCO3. La síntesis de LiNiO2 es más difícil que LiCoO2. La razón principal es que la relación estequiométrica de LiNiO2 se descompone fácilmente en Li1-xNi1 + xO2 en condiciones de alta temperatura. El exceso de iones de níquel se encuentra en la capa de litio entre los planos de NiO2, lo que dificulta la difusión de los iones de litio. Afectará la actividad electroquímica del material, y debido a que el Ni3 + es más difícil de obtener que el Co3 +, la síntesis debe realizarse en una atmósfera de oxígeno [2].

El óxido de litio y manganeso es una modificación del material de electrodo positivo tradicional. En la actualidad, se usa ampliamente el tipo de espinela LixMn2O4, que tiene una estructura de túnel tridimensional y es más adecuado para la desintercalación de iones de litio. El óxido de litio y manganeso es rico en materias primas, de bajo costo, no contaminante, resistente a las sobrecargas y resistente al calor. Tiene requisitos relativamente bajos para los dispositivos de protección de seguridad de la batería y se considera el material de cátodo más prometedor para las baterías de iones de litio. La disolución del Mn, el efecto Jahn-Teller y la descomposición del electrolito se consideran las causas más importantes de la pérdida de capacidad de la batería de iones de litio, lo que da como resultado óxido de manganeso y litio como material de electrodo positivo.

2.3 electrolito de polímero sólido.

Un material sólido que conduce corriente por iones generalmente se denomina electrolito sólido e incluye tres tipos de electrolito cristalino, un electrolito de vidrio y un electrolito de polímero, en el que el electrolito de polímero sólido (SPE) tiene una película fácil de peso ligero. formación, buena viscoelasticidad y ventajas similares, se pueden utilizar en baterías, sensores, pantallas electrocrómicas y condensadores. El uso de SPE en baterías de iones de litio puede eliminar el problema de la fuga de electrolito líquido, reemplazar el separador en la batería, inhibir la generación de dendritas en la superficie del electrodo, reducir la reactividad del electrolito y el electrodo, mejorar la energía específica de la batería y hacer que la batería sea resistente. Presión, resistencia al impacto, bajo costo de producción y fácil procesamiento.

Un electrolito de polímero sólido (SPE) convencional consta de un polímero y una sal de litio, que es un sistema de electrolito en el que se disuelve una sal de litio en un polímero. Generalmente, un polímero que tiene un grupo polar tal como oxígeno, nitrógeno o azufre que puede coordinarse con Li + en una cadena molecular puede usarse para formar tal sistema, tal como óxido de polietileno (PEO), polioxipropileno o polioxiheterociclo, butano, polietilenimina, poli (N-propil-1 aziridina), polisulfuro y similares. Li + como ácido duro tiende a interactuar con una base dura, por lo que la solubilidad de una sal de litio en un polímero que contiene grupos polares de nitrógeno y azufre es menor que la de un polímero que tiene un grupo polar que contiene oxígeno y conductividad eléctrica (σ) Muy bajo y no tiene significado práctico; La conformación de las moléculas de PEO es más favorable que otras moléculas de poliéter para formar una coordinación múltiple con cationes, puede disolver más sales de litio y exhibir una buena conductividad eléctrica, por lo que el sistema de sal de litio PEO + se convierte en SPE El sistema más antiguo y más ampliamente estudiado.

Sin embargo, el electrolito de polímero sólido (SPE) convencional tiene una temperatura ambiente σ de normalmente menos de 10-4 S · cm-1. Para cumplir con los requisitos de una batería de iones de litio, la adición de un sistema de polímero / sal puede promover la disociación de la sal de litio y aumentar el volumen libre del sistema. Un agente gelificante que puntúa y reduce su temperatura de transición vítrea (Tg) produce un gel SPE con una temperatura ambiente σ superior a 10-3 S · cm-1. Los plastificantes son generalmente disolventes orgánicos que tienen una constante dieléctrica alta, baja volatilidad, miscibilidad al complejo polímero / sal y estabilidad al electrodo, por ejemplo, carbonato de etileno (EC), carbonato de propileno (PC), carbonato de dimetilo, N-metilpirrolidona, sulfolano. , γ-butirolactona y similares. Las sales de litio comúnmente utilizadas son LiPF6, LiN (SO2CF3) y similares.

Los factores que afectan la conductividad del polímero se discutieron por medio de impedancia XRD, DSC y AC.

(1) Efecto de la concentración de sal de litio sobre la conductividad eléctrica

Cuando la concentración de la sal de litio es baja, la conductividad del electrolito polimérico es relativamente baja, solo del orden de 10-8. En el proceso de aumento de la concentración de sal de litio, la conductividad aumenta con el aumento de la concentración de iones portadores; y cuando la concentración de la sal continúa aumentando, la alta concentración de iones conduce a la interacción entre los iones. La mejora hace que la movilidad de los iones portadores disminuya, lo que resulta en una disminución de la conductividad.

(2) Relación entre concentración de plastificante y Tg

A medida que aumenta el plastificante, la temperatura de transición vítrea del electrolito polimérico disminuye gradualmente, lo que acelera el movimiento segmentario del electrolito polimérico a temperatura ambiente y, por tanto, aumenta su conductividad eléctrica. Aunque el aumento de la concentración del plastificante aumenta en gran medida la conductividad eléctrica del electrolito polimérico, también reduce la propiedad de formación de película autoportante y la resistencia mecánica de la membrana del electrolito polimérico. Si el prepolímero, el plastificante y la sal de litio se mezclan, la reacción de polimerización se inicia con luz o calor, y el gel SPE que tiene una estructura de red se forma por enlace químico, de modo que el SPE obtenido no solo tiene buenas propiedades mecánicas sino que también inhibe la polímero. La cristalización aumenta la cantidad de plastificante en la SPE y da como resultado una σ SPE alta.

2.4 material de ánodo

La capacidad de una batería de iones de litio depende en gran medida de la cantidad de inserción de litio del electrodo negativo. El material del electrodo negativo debe satisfacer los siguientes requisitos: (1) el cambio de potencial del electrodo durante la desintercalación del litio es pequeño y cercano al litio metálico; (2) tiene una relación de Capacidad más alta; (3) mayor eficiencia de carga y descarga; (4) mayor velocidad de difusión en el interior y la superficie Li + del material del electrodo; (5) mayor estabilidad estructural, química y térmica; (6) bajo costo y fácil preparación. En la actualidad, el trabajo de investigación sobre materiales de ánodos para baterías de iones de litio se centra principalmente en materiales de carbono y otros óxidos metálicos con estructuras especiales.

Generalmente, el método para preparar el material del ánodo es el siguiente: 1 calentar el carbón blando a una cierta temperatura alta para obtener carbón altamente grafitizado; 2 descomponer la resina reticulada que tiene una estructura especial a alta temperatura para obtener un carbono duro; 3 preparación de la sustancia orgánica de descomposición térmica a alta temperatura y alto polímero que contiene carbono hidrógeno.

La dificultad de superar en el material del ánodo de carbono es el problema de la atenuación del ciclo de capacidad, es decir, la pérdida de capacidad irreversible debido a la formación de una interfaz de fase de electrolito sólido (SEI). Por lo tanto, la preparación de materiales de ánodos de carbono microestructurados regulares y de alta pureza es una dirección de desarrollo.

El mecanismo de varios óxidos metálicos es similar al de los materiales de los electrodos positivos, y la principal dirección de la investigación es obtener óxidos metálicos de estructuras novedosas o estructuras compuestas.

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