Anwendungsvorteile von Festelektrolyt

Festelektrolyt ist ein Trend in der Entwicklung von Lithiumbatterie-Elektrolyten in der Zukunft, da sich die Festelektrolytbatterietechnologie bis heute entwickelt hat. Aus technischer Sicht können Festelektrolyte in Oxidelektrolyte, Sulfidelektrolyte, organische Polymerelektrolyte und LiPON-Elektrolyte unterteilt werden. Man kann sagen, dass es relativ ausgereift ist, aber es ist auch ein Engpass aufgetreten. Die Geburt einer neuen Generation von Technologie ist dringend erforderlich, insbesondere im Bereich der neuen Energie. Es wird erwartet, dass Festkörperbatterien die attraktivste unter den Leistungsbatterietechnologien der nächsten Generation werden. Da Festkörperbatterien nicht nur eine relativ hohe technologische Reife aufweisen, haben viele in- und ausländische Lithium-Ionen-Batterieunternehmen auch die Festkörperbatterietechnologie als wichtige Technologiereserve der nächsten Generation angesehen.

In der frühen Entwicklung der Festkörperbatterietechnologie lag der Schwerpunkt der Forschung und Entwicklung aufgrund der relativ geringen Leitfähigkeit von Festelektrolytmaterialien hauptsächlich auf der Verbesserung der Leitfähigkeit von Festelektrolyten. Daher haben Sulfid-Festelektrolyte und Oxid-Festelektrolyte mit hoher Ionenleitfähigkeit ein breites Aufmerksamkeitsspektrum auf sich gezogen.

Festkörper-Lithium-Ionen-Batterien verwenden Festelektrolyte anstelle herkömmlicher organischer flüssiger Elektrolyte, die Probleme mit der Batteriesicherheit gut lösen können und ideale chemische Energiequellen für Elektrofahrzeuge und Energiespeicher in großem Maßstab sind. Der Schlüssel besteht darin, Festelektrolyte mit hoher Leitfähigkeit und elektrochemischer Stabilität bei Raumtemperatur sowie hochenergetische Elektrodenmaterialien herzustellen, die für alle Festkörper-Lithium-Ionen-Batterien geeignet sind, und die Verträglichkeit der Grenzfläche zwischen Elektrode und Festelektrolyt zu verbessern.

Festkörper-Lithiumbatterien werden auf Basis von Lithiumbatterien entwickelt. Im Vergleich zu herkömmlichen Lithiumbatterien verwenden sie hauptsächlich keine Flüssigkeit oder kein Gel mehr als leitendes Material zwischen der positiven und der negativen Elektrode, was die Sicherheit des Autos und die Fähigkeit, hohen Temperaturen standzuhalten, erheblich verbessert. . Es hat die Vorteile einer hohen Sicherheit, einer hohen Energiedichte, einer langen Lebensdauer und eines weiten Betriebstemperaturbereichs, zu denen der Festelektrolyt im Kern gehört.

Oxid-Festelektrolyte können je nach Materialstruktur in kristalline und glasartige (amorphe) unterteilt werden. Kristalline Elektrolyte umfassen Perowskit-Typ, NASICON-Typ, LISICON-Typ und Granat-Typ usw. Der Glasoxid-Elektrolyt Der Forschungs-Hotspot ist der LiPON-Typ-Elektrolyt, der in Dünnschichtbatterien verwendet wird.

Der oxidkristalline Festelektrolyt weist eine hohe chemische Stabilität auf und kann stabil in der Atmosphäre vorliegen, was für die großtechnische Herstellung von Festkörperbatterien von Vorteil ist. Der Forschungsschwerpunkt liegt auf der Verbesserung der Ionenleitfähigkeit bei Raumtemperatur und ihrer Kompatibilität mit Elektroden. Gegenwärtig sind die Verfahren zur Verbesserung der Leitfähigkeit hauptsächlich der Austausch von Elementen und die Dotierung heterovalenter Elemente, und die Kompatibilität mit Elektroden ist auch ein wichtiges Problem, das seine Anwendung einschränkt.

Der typischste kristalline kristalline Festelektrolyt ist Thio-LISICON, das erstmals von Professor KANNO vom Tokyo Institute of Technology im Li2S-GeS2-P2S-System entdeckt wurde. Die chemische Zusammensetzung ist Li4-xGe1-xPxS4 und die Ionenleitfähigkeit bei Raumtemperatur beträgt 2,2 × 10. -3S / cm (wobei x=0,75) und die elektronische Leitfähigkeit kann ignoriert werden. Die allgemeine chemische Formel von Thio-LISICON lautet Li4-xGe1-xPxS4 (A=Ge, Si usw., B=P, Al, Zn usw.).

Der Sulfidglas-Festelektrolyt besteht üblicherweise aus P2S5, SiS2, B2S3 und anderen Netzwerkbildnern und dem Netzwerkmodifikator Li2S. Das System umfasst hauptsächlich Li2S-P2S5, Li2S-SiS2, Li2S-B2S3. Die Zusammensetzung hat einen großen Variationsbereich, eine hohe Ionenleitfähigkeit bei Raumtemperatur, eine hohe thermische Stabilität, eine gute Sicherheitsleistung und ein breites Fenster für die elektrochemische Stabilität (bis zu 5 V). Es hat herausragende Vorteile bei Festkörperbatterien mit hoher Leistung und hoher Niedertemperatur und verfügt über ein großes Potenzial an Festkörperbatterie-Elektrolytmaterialien.

Der Polymerfestelektrolyt besteht aufgrund seines geringen Gewichts, seiner guten Viskoelastizität und seiner hervorragenden Eigenschaften aus einer Polymermatrix (wie Polyester, Polymerase und Polyamin usw.) und Lithiumsalz (wie LiClO 4, LiAsF 4, LiPF 6, LiBF 4 usw.) mechanische Verarbeitungsleistung und andere Eigenschaften haben breite Aufmerksamkeit erhalten.

Übliche SPEs umfassen Polyethylenoxid (PEO), Polyacrylnitril (PAN), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polypropylenoxid (PPO), Polyvinylidenchlorid (PVDC) und Einzelionenpolymerelektrolytsysteme.

Gegenwärtig ist die Mainstream-SPE-Matrix immer noch das erste vorgeschlagene PEO und seine Derivate, hauptsächlich aufgrund der Stabilität von PEO gegenüber Metalllithium und seiner Fähigkeit, Lithiumsalze besser zu dissoziieren.

Der LiPON-Elektrolyt wird vom Oak Ridge National Laboratory (ORNL) in den USA hergestellt. Der Lithiumphosphoroxynitrid (LiPON) -Elektrolytfilm wurde durch Sputtern eines hochreinen Li3P04-Targets unter Verwendung einer Hochfrequenz-Magnetron-Sputtervorrichtung in einer hochreinen Stickstoffatmosphäre hergestellt.

Es versteht sich, dass das Material eine ausgezeichnete Gesamtleistung aufweist, die Ionenleitfähigkeit bei Raumtemperatur 2,3 × 10 –6 S / cm beträgt, das elektrochemische Fenster 5,5 V (http://vs.Li/Li+) und die thermische Stabilität gut ist Positive Elektroden wie LiCoO2, LiMn2O4 und negative Elektroden wie Lithiummetall und Lithiumlegierung weisen eine gute Verträglichkeit auf. Die Ionenleitfähigkeit des LiPON-Films hängt von der amorphen Struktur und dem N-Gehalt im Filmmaterial ab. Die Erhöhung des N-Gehalts kann die Ionenleitfähigkeit verbessern.