Faste elektrolytter har mange fordeler fremfor flytende elektrolytter. For eksempel kan de redusere elektrodedeformasjon under lading og utlading, og forbedre sikkerheten. De har også utmerket stabilitet, er enkle å behandle og vokserlitiumdendritter kan minimeres i løsemiddel-frie faste polymerelektrolytter.
Forskning på polymerelektrolytter begynte allerede i 1973, da Fenton et al. oppdaget at polyetylenoksid (PEO) komplekser med alkalimetaller kunne lede ioner. Siden den gang har polymerelektrolytter tiltrukket seg betydelig oppmerksomhet.
I 1978 spådde Dr. Armand at PEO-baserte fast-polymerelektrolytter kunne bli brukt som elektrolytter for batterier.
I løpet av de neste to tiårene viet forskere enorme anstrengelser for å studere mekanismen for ioneledning og de fysisk-kjemiske egenskapene til elektrolytt--elektrodegrensen i batteriet, og gjorde gode fremskritt.
Litium-ionbatterier som bruker faste polymerelektrolytter kan forhindre lekkasjeproblemer knyttet til flytende elektrolytter.
Polymerer er enkle å behandle og kan miniatyriseres. På grunn av deres høye plastisitet kan polymerer også brukes til å lage tynne-filmbatterier. Ulike batteristrukturer kan fremstilles ved bruk av polymerelektrolytter for å møte ulike brukskrav. Videre tilbyr polymerelektrolytter høyere kjemisk, elektrokjemisk og termisk stabilitet sammenlignet med flytende elektrolytter, med færre sidereaksjoner med elektrodene og et bredere driftstemperaturområde. Fleksibiliteten til polymerelektrolytter kan buffere volumendringer i elektrodene under lading og utlading, og stabilisere batteristrukturen. Derfor, etter kommersialiseringen av flytende-ionbatterier, vil litium-ionbatteriteknologi basert på polymerelektrolytter raskt utvikle seg og oppnå vellykket kommersialisering.
Det finnes mange metoder for å klassifisere polymerelektrolytter, og standardene varierer. For tiden skilles faste polymerelektrolytter hovedsakelig ut i henhold til typen polymer som brukes, for eksempel det mest kjente polyeter-baserte polyetylenoksidet (PEO), samt polymetylmetakrylat (PMMA) og polyakrylnitril (PAN). Generelt sett må polymerelektrolytter oppfylle følgende betingelser for å bli praktisk brukt i litium-ionbatterier.
Høy ionisk ledningsevne
Betydelig litium-ionoverføringstall
God mekanisk styrke
Bredt elektrokjemisk vindu
Utmerket kjemisk og termisk stabilitet
I dagens polymerelektrolyttsystemer viser polymerer betydelig krystallinitet ved romtemperatur, noe som forklarer hvorfor ledningsevnen til faste polymerelektrolytter ved romtemperatur er mye lavere enn for flytende elektrolytter. De fleste krystaller i polymerer er sfærulitter, med amorfe områder mellom dem. Det antas generelt at litium-ionledning primært forekommer i disse amorfe områdene.
Derfor er det nyttig å forstå fasestrukturen til polymerer for å studere litium-ioneledningsmekanismen.
For binære polymerelektrolyttsystemer består fasestrukturen hovedsakelig av to typer: krystallinske områder og amorfe områder. Dannelsen av krystallinske områder er kinetisk drevet og direkte relatert til spesifikke forberedelsesbetingelser og tid. Strengt tatt, på grunn av tilstedeværelsen av krystallinske områder i polymersystemet, og den betydelige variasjonen av disse regionene med forskjellige forhold, er det ikke særlig vitenskapelig å sammenligne konduktiviteten til forskjellige typer polymerelektrolytter. Imidlertid, under visse forhold, hvis veksten av krystallinske områder er langsom og avviket i ionisk ledningsevne er innenfor et akseptabelt område, er sammenligning av ledningsevne akseptabelt. Det er derfor vi ofte sammenligner ulike resultater.
Siden veksten av sfærulitter i polymeren er tids-avhengig, er den ioniske ledningsevnen ved temperaturer under polymerens smeltepunkt også tids-avhengig. Videre er litium-ioneledningsevnen til polymerelektrolytter relatert til oppvarmingshastigheten, avkjølingshastigheten og avslapningstiden. For eksempel resulterer en lengre relaksasjonstid i en mer fullstendig polymerkrystallstruktur og høyere krystallinitet, noe som fører til en gradvis reduksjon i ionisk ledningsevne til et minimum med økende relaksasjonstid. Tilsvarende resulterer en langsommere avkjølingshastighet i mer fullstendig krystallisering, og den tilsvarende ioniske ledningsevnen vil også gradvis avta til et minimum.
Ved å ta den binære faste polymerelektrolytten til PEO og LiCIO4 som et eksempel, inneholder denne strukturen flere fasestrukturer. For det første kan LiClO4 og PEO danne forskjellige komplekser, inkludert PEO6-LiCIO4, PEO3-LiCIO4, PEO2-LiCIO4 og PEO-LiClO4. Blant dem, når O:Li=10:1, kan PEO6-LiCIO4 danne et eutektikum med PEO, med et smeltepunkt på 50 grader. I tillegg, når temperaturen heves til 160 grader, kan det dannes et stort eutektikum. Under kjøleprosessen vil den store eutektikken produsere tre forskjellige typer sfærulitter: den første typen smelter over 120 grader og har et høyt saltinnhold; den andre typen smelter mellom 45 og 60 grader, har lavt saltinnhold og dannes sakte; den tredje typen har et smeltepunkt noe lavere enn vertspolymeren og dannes raskere. Forskning og analyser tyder på at: den første typen sfærulitt er sannsynligvis PEO3-LiCIO4; den andre typen kan være en blanding av PEO-LiCIO4- og PEO3-LiCIO4-komplekser; og den tredje typen tilsvarer PEO selv. Videre kan både litiumsaltinnholdet og varmebehandlingsprosessen føre til strukturelle endringer.
Polymerelektrolytter er en klasse funksjonelle polymermaterialer med høy ionisk ledningsevne, dannet av kompleksdannelsesreaksjoner mellom polymerer og metallsalter ved bruk av polymerer som matriks. Avhengig av polymermatrisen inkluderer vanlige polymerelektrolytter PEO-baserte polymerelektrolytter, PVDE-baserte polymerelektrolytter, PMMA-baserte polymerelektrolytter og andre. I motsetning til uorganiske faste-elektrolytter, er polymerelektrolytter lette, elastiske og stabile. Som uorganiske faststoffelektrolytter-leder polymerelektrolytter ikke bare ioner i litium-ionbatterier, men fungerer også som batteriseparatorer. Polymerelektrolytter har hovedsakelig følgende fordeler:
Det kan effektivt løse problemet med litiumdendrittdannelse i litium-ionbatterier
Den kan tilpasse seg deformasjonen under lade- og utladingsprosessen til litium-ionbatterier
Det kan redusere eller til og med eliminere den kjemiske reaksjonen mellom elektrolytten og elektrodematerialene i litium-ionbatterier
Den har høy sikkerhetsytelse
Kompleksene dannet av forskjellige litiumsalter (inkludert LBF4, LIPF6, LiCFSO4 og LiASF6) med PEO er i utgangspunktet lik de som dannes av LiCIO4, noe som betyr at typen litiumsalt ikke har noen direkte innvirkning på typen kompleks som dannes med PEO. Spesielt kan LiBF danne to komplekser med PEO: PEO4-LIBF og PEO,S-LiBF. Når O/Li-forholdet er mellom 16 og 20, kan PEO2.5-LIBF4 danne et eutektikum med PEO. LPF6 kan også danne to komplekser med PEO: PEO6-LiPF6 og PEO:-LiPF6. De to kompleksene dannet av LiASF6 med PEO ligner de til LiPF6, men med relativt høyere smeltepunkter. Store anionlitiumsalter kan også danne komplekser med PEO, men kinetikken er mye langsommere. Videre påvirker trykket også krystallveksten til en viss grad. Høyere trykk fremmer sfærulittvekst, reduserer det amorfe området og reduserer tilsvarende litiumionledningsevne.