مروری بر الکترولیت های کامپوزیتی پلیمری در باتری های لیتیومی
باتری های یون لیتیوم در دهه گذشته بر بازار موبایل تسلط داشته اند. علیرغم تسلط آنها در بسیاری از زمینه ها، امروزه توسعه باتری های تجاری یون لیتیوم با تنگناهایی مواجه است که با خطرات ایمنی مانند نشت، سوختن و حتی انفجار به دلیل الکترولیت های مایع آلی با نقطه جوش پایین محدود شده است. الکترولیت جامد یک جایگزین امیدوار کننده برای حل این مشکل و یا حتی کاهش آن محسوب می شود. از بین تمام الکترولیت های جامد، الکترولیت های جامد پلیمری از مزایایی همچون اشتعال پذیری کم، انعطاف پذیری خوب، پایداری حرارتی عالی و ایمنی بالا برخوردار هستند. بسیاری از محققان بر روی پیاده سازی باتری های جامد پلیمری یون لیتیوم با کارایی بالا تمرکز کرده اند. با این وجود، پایین بودن رسانایی یون لیتیوم و خواص مکانیکی ضعیف همچنان چالش های اصلی در توسعه تجاری آنها هستند. برای علبه بر این مشکلات و بهبود عملکرد کلی، کامپوزیت های حاوی ذرات خارجی به طور گسترده مورد بررسی قرار می گیرند تا یک الکترولیت کامپوزیت پلیمری را تشکیل دهند. بر همین اساس، این مقاله به بحث در مورد توسعه الکترولیت های جامد یون لیتیوم در کامپوزیت پلیمری می پردازد. به طور کلی ساختارها، رسانایی یونی، پایداری الکتروشیمیایی - شیمیایی و ساخت الکترولیت های پلیمری جامد نیز در اینجا بررسی شده اند. دورنمای این الکترولیت ها همچنین براساس مطالعات قبلی نسبت به دورنمای باتری های یون لیتیوم ارائه شده است.
از زمانی که شرکت سونی تجاری سازی باتری های یون لیتیوم را در سال 1991 آغاز کرد، این باتری ها پیشرفت قابل توجهی داشته و به کاربردهای زیادی در حوزه های مختلف مانند وسایل نقلیه الکتریکی و پرتابل ها رسیدند. اگرچه باتری های یون لیتیوم از مزیت هایی همچون چگالی انرژی بالا و چرخه حیات طولانی بهره مند هستند اما فاکتورهای ایمنی بالقوه و چگالی انرژی اشباع بالا به مشکلات مهمی تبدیل شده اند که مانع توسعه بیشتر می شوند. باتری های تجاری یون لیتیوم امروزی از الکترولیت های آلی مایع استفاده می کنند که خواص منحصر به فردی من جمله رسانایی بالا و ترشوندگی عالی بر روی سطوح الکترود دارند. با این حال، از معایب آشکار و اجتناب ناپذیر الکترولیت های مایع می توان علاوه بر انتخاب پذیری پایین یون، به ناپایداری الکتروشیمیایی و خطرات بالقوه اشاره کرد. در مقایسه با الکترولیت های مایع، الکترولیت های جامد از ایمنی و پایداری حرارتی بالاتری برخوردار هستند زیرا می توانند یک لایه مانع فیزیکی برای جداسازی الکترودهای مثبت و منفی ایجاد کرده و از فرار حرارتی در دمای بالا یا ضربه جلوگیری کنند. علاوه براین، الکترولیت جامد به دلیل سرکوب موثر تشکیل دندریت لیتیوم، استفاده از آند فلزی لیتیوم را امکان پذیر می سازد. علیرغم این مزایای قابل توجه، برخی از نقاط ضعف مانند رسانایی یونی کم و تماس سطحی ناکافی همچنان باقی مانده اند که بایستی بهبود یابند. تحقیقات زیادی برای رفع این معایب و توسعه نسل جدید باتری های لیتیوم جامد در حال انجام است. برای رسیدن به اهداف تجاری، اساسی ترین الزامات برای الکترولیت های جامد را باید رسانایی بالای یونی، خواص مکانیکی مطلوب و ثبات سطحی خوب با الکترودها دانست. الکترولیت جامد معدنی (ISE)، الکترولیت های پلیمری جامد (SPE) و الکترولیت کامپوزیت (CSE) به طور گسترده در باتری های یون لیتیوم بررسی شده اند. گروه های اکسید و فسفید دو نوع هستند که کاربرد گسترده ای در ISE دارند.
برخی از آنها رسانایی بالایی معادل الکترولیت های مایع آلی از خود نشان می دهند اما موانع پردازش، هزینه های بالا و امپدانس سطحی بالا کاربرد وسیع آنها را محدود می کند. SPE ها نه تنها عملکرد الکتروشیمیایی عالی و ایمنی بالایی دارند، بلکه از لحاظ انعطاف پذیری و فرایند پذیری بسیار خوب هستند و این مزیت امکان استفاده از آنها را در ساخت نسل بعدی باتری های پر انرژی فراهم می کند. در عین حال، از خطر رشد دندریت فلز لیتیوم جلوگیری می کند. SPE ها من جمله پلی اتیلن اکسید (PEO)، پلی کربنات و پلی سیلوکسان کاملا بررسی و مطالعه شده اند. با این حال، رسانایی یونی و ثبات مکانیکی SPE ها هنوز ایده آل نیستند و از طرفی، مانع اصلی در جلوگیری از کاربرد وسیع آنها به شمار می روند. روش های مختلفی برای بهبود سیستم الکترولیت پلیمری اتخاذ شده است که آنها را می توان به دو دسته تقسیم کرد: ترکیب پلیمر - پلیمر و الکترولیت پلیمری کامپوزیت. با این حال، خواص مکانیکی الکترولیت را به طور قابل توجهی افزایش نمی دهد. همان طور که در شکل زیر نشان داده شده است، از کامپوزیت های مختلفی در تهیه پلیمرها استفاده شده است من جمله فیلرهای سرامیکی خنثی، سرامیک های رسانای سریع یون، نمک های لیتیوم، مایع یونی و غیره.
شکل 1:
نتیجه گیری
اگرچه باتری های یون لیتیوم مدت هاست که تجاری سازی شده اند. استفاده از الکترولیت های مایع دارای معایبی مانند ایمنی ضعیف و عملکرد شیمیایی ناپایدار است که توسعه بیشتر و کاربردهای گستزده تر آن را تا حد زیادی محدود می کند. الکترولیت پلیمری کامپوزیت جامد در باتری های یون لیتیوم اخیرا به دلیل اشتعال پذیری کم، انعطاف پذیری خوب، پایداری حرارتی عالی و ایمنی بالا مورد توجه قرار گرفته است. در این مقاله، درک عمیق از مکانیسم ها و رابط های هدایت یونی برای الکترولیت های پلیمری جامد ارائه کرده ایم. در عین حال، پیشرفت های اخیر در زمینه الکترولیت های کامپوزیت پلیمری من جمله سرامیک های پلیمری خنثی، رسانای پلیمری یونی سریع، پلیمر مایع یونی، پلیمر MOFs و الکترولیت های کامپوزیت پلیمر سلولز. اگرچه تحقیقات بسیاری به الکترولیت های کامپوزیت پلیمری اختصاص داده شده اما برخی مسائل اساسی بایستی قبل از تجاری شدن آنها برطرف شوند. برای مثال رسانایی یونی الکترولیت کامپوزیت جامد تفاوت زیادی با نمونه مایع دارند. بسیاری از الکترولیت های جامد پلیمری رسانایی یونی بالایی در دماهای بالا از خود نشان می دهند در حالی که در دماهای پایین تر به شدت کاهش می یابند. مکانیسم رسانایی و تعادل سطحی باید روشن شود نه اینکه انجام مطالعات را تسریع کند. در حال حاضر، الکترولیت جامد پلیمری یونی به طور اجتناب ناپذیری باعث می شود خواص مکانیکی در هنگام به دست آوردن رسانایی یونی بالا به حداقل برسند که خطرات ایمنی زیادی را نیز به دنبال دارد. مشکل الکترولیت های جامد پلیمری سرامیکی خنثی این است که چگونه می توان یک پراکندگی خوب در آنها ایجاد کرد و یا تعامل بین فیلر و پلیمر را تقویت کرد که در نتیجه بهبود بیشتر هدایت یونی را محدود می کند. در مقابل، الکترولیت های جامد پلیمری یونی سریع هم رسانایی یونی بالایی در دمای محیط دارند و هم از خواص مکانیکی خوبی برخوردار هستند. توسعه الکترولیت های جامد پلیمری احتمالا ترکیبی از رساناهای یونی سریع و پلیمرها است که می تواند مزایای رسانایی یونی بالای رساناهای یونی سریع را ترکیب کرده و مشکل تماس سطحی ضعیف را برطرف کند.
