باتری های لیتیوم یون

دسته: مقالات منتشر شده در 08 آذر 1400
نوشته شده توسط Admin بازدید: 631

باتری های لیتیوم - یون نازک و انعطاف پذیر: بررسی الکترولیت های پلیمر

باتری های پلیمری لیتیوم- یون در این مقاله مورد بررسی قرار گرفتند. این باتری ها از PVDF میکرو متخلخل پر شده با الکترولیت مایع بعنوان الکترولیت پلیمری استفاده شدند. در اینجا مشخص شد که رسانایی فقط به تخلخل PVDF بستگی دارد زیرا ممکن است ساختار متورم PVDF نادیده گرفته شود. امکان از دست دادن رسانایی ناشی از PVDF میکرومتخلخل محدود است، در حالی که پیچ خوردگی برابر با 1 است. اثرات خاموشی نیز مشاهده شد. این باتری ها با پایه الکترولیت پلیمری با مشخصه های کاربردی GSM مطابقت دارند.

 

پروژه توسعه یافته با SAFT که با همکاری آتوفینا با هدف ارائه یک باتری پلیمری لیتیوم- یون جدید انجام شده، از یک جداکننده ریزمتخلخل متشکل از پلی وینیلیدین فلوراید کینار PVDF با وزن مولکولی بالا ساخته شده است. PVDF برخلاف جداکننده های متخلخل معمولی مانند Celgard به این باتری ها اجازه می دهد تا به پیل های انعطاف پذیر و نازک تبدیل شوند. اگر Celgard نسبت به الکترولیت مایع نسبتآ بی اثر باشد، PVDF میکرومتخلخل تا حدودی توسط الکترولیت مایع الاستیسیته می شود. این روند امکان رطوبت پذیری بالا در جداکننده توسط الکترولیت مایع و همچنین تماس بهتر الکترود/ الکترولیت را فراهم می کند، در حالی که یکپارچگی پلیمری را نیز بطور قابل ملاحظه ای حفظ می کند. در این مقاله، رسانایی این جداکننده های میکرومتخلخل هم با الکترولیت های مایع آلی و هم با رسانایی PVDF متراکم که توسط همان الکترولیت متورم شده اند، مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین جنبه های ایمنی، بویژه رفتار حرارتی مجموعه الکترولیت مایع/ PVDF ریزمتخلخل مدنظر قرار گرفته اند. باتری های لیتیوم- یون انعطاف پذیر براساس این جداکننده ها آماده شده و عملکرد آنها نیز با کاربردهای GSM مقایسه شد.

 

رسانایی الکترولیت ریزمتخلخل PVDF/ مایع از یک سو به تخلخل پلیمر و رطوبت پذیری آن توسط الکترولیت مایع و از سوی دیگر به الکترولیت مایع بستگی دارد. علاوه براین از آنجایی که PVDF توسط الکترولیت های مایع آلی متورم می شود، ممکن است فرض شود که رسانایی کلی PVDF ریزمتخلخل پر شده با الکترولیت مایع هم از فیلر متخلخل و هم از ساختار PVDF پرشده با الکترولیت مایع ناشی می شود. به همین دلیل، تمامی این جنبه ها به دقت مورد بررسی قرار گرفته اند. همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، اندازه گیری رسانایی چندین الکترولیت مایع در غلظت نمک یکسان در محدوده دمایی 20-60 درجه سلسیوس انجام شد.

 

شکل 1:

 Conductivity comparison of liquid electrolytes

 

به دلیل گذردهی بالا، اختلاط حلال های متشکل از EC الکترولیت های رسانای بیشتری را ارائه می دهد. در این میان، الکترولیت با پایه اختلاط حلال سه گانه (EC/ DMC/ DEC) بالاترین میزان رسانایی را دارد؛ بویژه درمورد الکترولیت های متشکل از حلال خالص یا اختلاط حلال های باینری. بنابراین، افزودن DEC عملکرد الکترولیت در دمای پایین (10-20 درجه سلسیوس) را نسبت به الکترولیت EC/ DMC بهبود بخشیده و از تبلور مجدد الکترولیت در دمای 20 درجه سلسیوس جلوگیری می کند. به عبارت دیگر، رسانایی مخلوط باینری EC/ DEC بطور قابل توجهی کمتر از مخلوط EC/ DMC است. از آنجا که هر دو کربنات خطی تقریبآ دارای گذردهی و ارقام دونور یکسانی هستند، این نتایج حاصل شده بایستی با ویسکوزیته بالاتر DEC مطابقت داشته باشند. برای ارزیابی رسانایی ساختار PVDF، غشاهای PVDF متراکم توسط چندین محلول مولار LiPF6 مورد بررسی قرار گرفتند. باتوجه به شکل زیر، رسانایی ضعیف در بهترین الکترولیت تنها با 10⁻⁵×5 ثانیه/ سانتی متر در 60 درجه سلسیوس حاصل می شود و می تواند دو عامل کلیدی داشته باشد: نسبت تورم نسبتآ کم غشاء PVDF در این حلال ها و محتوای کم نمک در غشاء متورم شده.

 

شکل 2:

 Conductivity comparison of dense PVDF swollen by several

 

با این حال، اگرچه غلظت نمک در محلول فقط 1 مول است، غلظت LiPF6 در غشاء متورم فقط به 0.2 مول می رسد. رسانایی غشاهای متخلخل متورم به رسانایی الکترولیت مایع متورم شده بستگی ندارد، بلکه به نسبت خودِ تورم بستگی دارد. غشاهای متورم شده در محلول های مولار LiPF6 در DMC و مخلوط های باینری DMC/ EC در مقایسه با غشاهای متورم شده در DEC یا DEC/ EC از رسانایی بالاتری برخوردار هستند. با توجه به این نتایج حاصل شده میتوان گفت که رسانایی ساختار PVDF متورم شده با الکترولیت ممکن است با توجه به حجم متخلخل پرشده با الکترولیت مایع نادیده گرفته شود.

 

با فرض بر اینکه ساختار PVDF تأثیر قابل توجهی بر میزان رسانایی ندارد، کاهش رسانایی بطور کلی به کاهش سطح الکترود و اثرات پیچ خوردگی مرتبط است. از NMR گرادیانت میدانی برای تعیین ضرایب انتشار آنیون، کاتیون و حلال هم در الکترولیت های مایع و هم در غشای ریزمتخلخل پرشده با این الکترولیت ها استفاده شد. کاهش به همان نسبت از تمام ضرایب انتشار در الکترولیت پلیمری مشاهده شد. ممکن است فرض کنیم که کاهش رسانایی عمدتآ به دلیل کاهش ضرایب انتشار باشد، بنابراین پیچ خوردگی نزدیک به 1 است. کاهش ضرایب انتشار ممکن است به برهمکنش حلال/ PVDF نسبت داده شود. میزان کاهش رسانایی به الکترولیت مایع بستگی دارد. رسانایی غشای ریزمتخلخل متورم شده با 1 مول LiPF6 در EC/ DEC با رسانایی مخلوط های متورم سه گانه در دمای بالاتر از 20 درجه سلسیوس مشابه است. در دمای پایین، رسانایی این الکترولیت کمتر است. علاوه براین، میزان رسانایی در ساختار ریزمتخلخل به دلیل وجود منافذ کوچکتر، کمتر است که ممکن است علت آن افزایش پیچ خوردگی و یا برهمکنش های حلال/ رابط پلیمری بزرگتر باشد. این مقاله مباحث رسانایی، DSC و SEM را بطور مشترک مورد مطالعه قرار می دهد. DSC نشان می دهد غشای ریزمتخلخل متورم شده با الکترولیت سه تایی در دمای 75-80 درجه سلسیوس شروع به ذوب شدن می کند. در غشاهای ریزمتخلخل بدون حلال، نقطه ذوب بسیار بالاتر است و از 141 درجه سلسیوس شروع می شود. در اینجا، غشاء PVDF متراکم کاهش مداوم نقطه ذوب فاز کریستالی را با افزایش نسبت تورم نشان می دهد. حتی اگر تورم حلال فاز آمورف را تحت تأثیر قرار دهد، ابتدا نقطه ذوب و سپس آنتالپی ذوب تا حد زیادی تغییر می کنند. الکترولیت پلیمر با پایه PVDF ریزمتخلخل سازگاری بهتری بین رسانایی و خواص مکانیکی ایجاد می کند. افزایش مقاومت آنها در مقایسه با الکترولیت مایع، از جداکننده ریزمتخلخل PVDF کمتر از ضریب 4 ناشی می شود. پیچ خوردگی جداکننده برابر با 1 است. این جداکننده اثر خاموشی به همراه دارد که به حجم متخلخل بستگی دارد. عملکرد این باتری ها در دمای بالا زمینه را برای کاربرد گسترده آنها فراهم می کند؛ اما با این حال، عملکرد آنها در دمای پایین همچنان محدود است.