Bərk elektrolitlər maye elektrolitlərə nisbətən bir çox üstünlüklərə malikdir. Məsələn, onlar doldurma və boşaltma zamanı elektrod deformasiyasını azalda bilər, təhlükəsizliyi artırır. Onlar həmçinin əla sabitliyə malikdirlər, emal etmək asandır və böyüməkdədirlərlitiumdendritlər solventsiz{0}}bərk polimer elektrolitlərində minimuma endirilə bilər.
Polimer elektrolitləri üzərində tədqiqatlar hələ 1973-cü ildə Fenton et al. qələvi metallarla polietilen oksidin (PEO) komplekslərinin ionları keçirə biləcəyini kəşf etdi. O vaxtdan bəri polimer elektrolitlər diqqəti cəlb etdi.
1978-ci ildə Dr. Armand PEO{2}}əsaslı bərk{3}}polimer elektrolitlərinin batareyalar üçün elektrolit kimi istifadə oluna biləcəyini proqnozlaşdırdı.
Sonrakı iki onillikdə tədqiqatçılar akkumulyatorda ion keçirmə mexanizmini və elektrolit{0}}elektrod sərhədinin fiziki-kimyəvi xassələrini öyrənmək üçün böyük səylər sərf etdilər və yaxşı irəliləyiş əldə etdilər.
Bərk polimer elektrolitlərdən istifadə edən litium{0}}ion batareyaları maye elektrolitlərlə bağlı sızma problemlərinin qarşısını ala bilər.
Polimerləri emal etmək asandır və miniatürləşdirilə bilər. Yüksək plastikliklərinə görə polimerlər nazik-film batareyaları yaratmaq üçün də istifadə edilə bilər. Müxtəlif tətbiq tələblərinə cavab vermək üçün polimer elektrolitlərdən istifadə etməklə müxtəlif batareya strukturları hazırlana bilər. Bundan əlavə, polimer elektrolitləri maye elektrolitlərlə müqayisədə daha yüksək kimyəvi, elektrokimyəvi və istilik sabitliyi təklif edir, elektrodlarla daha az yan reaksiyalar və daha geniş iş temperaturu diapazonu. Polimer elektrolitlərinin çevikliyi batareyanın strukturunu sabitləşdirərək şarj və boşalma zamanı elektrodlarda həcm dəyişikliklərini tamponlaya bilir. Buna görə də, maye{6}}ion batareyalarının kommersiyalaşdırılmasından sonra polimer elektrolitlərə əsaslanan litium{7}}ion batareya texnologiyası sürətlə inkişaf edəcək və uğurlu kommersiyalaşdırılmasına nail olacaqdır.
Polimer elektrolitləri təsnif etmək üçün bir çox üsul var və standartlar fərqlidir. Hal-hazırda, bərk polimer elektrolitləri əsasən istifadə olunan polimerin növünə görə fərqlənir, məsələn, ən məşhur polieter əsaslı polietilen oksid (PEO), həmçinin polimetil metakrilat (PMMA) və poliakrilonitril (PAN) kimi. Ümumiyyətlə, polimer elektrolitlər litium-ion batareyalarında praktiki olaraq istifadə edilmək üçün aşağıdakı şərtlərə cavab verməlidir.
Yüksək ion keçiriciliyi
Əhəmiyyətli litium{0}}ion köçürmə nömrəsi
Yaxşı mexaniki güc
Geniş elektrokimyəvi pəncərə
Əla kimyəvi və termal sabitlik
Mövcud polimer elektrolit sistemlərində polimerlər otaq temperaturunda əhəmiyyətli kristallıq nümayiş etdirirlər, bu da bərk polimer elektrolitlərinin otaq temperaturunda keçiriciliyinin maye elektrolitlərdən xeyli aşağı olmasını izah edir. Polimerlərdəki kristalların əksəriyyəti sferulitlərdir, onların arasında amorf bölgələr var. Ümumiyyətlə litium{2}}ionunun keçiriciliyinin ilk növbədə bu amorf bölgələrdə baş verdiyinə inanılır.
Buna görə də, polimerlərin faza quruluşunu anlamaq litium{0}}ion keçirmə mexanizmini öyrənmək üçün faydalıdır.
Binar polimer elektrolit sistemləri üçün faza quruluşu əsasən iki növdən ibarətdir: kristal bölgələr və amorf bölgələr. Kristal bölgələrin əmələ gəlməsi kinetik olaraq idarə olunur və xüsusi hazırlıq şərtləri və vaxtı ilə birbaşa bağlıdır. Düzünü desək, polimer sistemində kristal bölgələrin olması və bu bölgələrin müxtəlif şərtlərlə əhəmiyyətli dərəcədə dəyişməsi səbəbindən müxtəlif növ polimer elektrolitlərinin keçiriciliyini müqayisə etmək çox elmi deyil. Bununla belə, müəyyən şərtlərdə, kristal bölgələrin böyüməsi yavaş olarsa və ion keçiriciliyindəki sapma məqbul diapazonda olarsa, müqayisəli keçiricilik məqbuldur. Buna görə biz tez-tez fərqli nəticələri müqayisə edirik.
Polimerdə sferulitlərin böyüməsi zamandan-asılı olduğundan, polimerin ərimə nöqtəsindən aşağı temperaturda ion keçiriciliyi də zamandan-asılıdır. Bundan əlavə, polimer elektrolitlərinin litium{3}}ion keçiriciliyi qızdırma sürəti, soyutma sürəti və boşalma vaxtı ilə əlaqədardır. Məsələn, daha uzun relaksasiya vaxtı daha dolğun polimer kristal quruluşu və yüksək kristallik ilə nəticələnir, relaksasiya müddəti artdıqca ion keçiriciliyinin tədricən minimuma enməsinə gətirib çıxarır. Eynilə, daha yavaş soyutma sürəti daha tam kristallaşma ilə nəticələnir və müvafiq ion keçiriciliyi də tədricən minimuma enəcəkdir.
Nümunə olaraq PEO və LiCIO4-ün ikili bərk polimer elektrolitini götürsək, bu struktur çox fazalı strukturları ehtiva edir. Birincisi, LiClO4 və PEO PEO6-LiCIO4, PEO3-LiCIO4, PEO2-LiCIO4 və PEO-LiClO4 daxil olmaqla müxtəlif komplekslər yarada bilər. Onların arasında O:Li=10:1 olduqda, PEO6-LiCIO4 50 dərəcə ərimə nöqtəsi ilə PEO ilə evtektik əmələ gətirə bilər. Bundan əlavə, temperatur 160 dərəcəyə qaldırıldıqda, böyük bir evtektika meydana gələ bilər. Soyutma prosesi zamanı böyük evtektika üç müxtəlif növ sferulit istehsal edəcək: birinci növ 120 dərəcədən yuxarı əriyir və yüksək duz tərkibinə malikdir; ikinci növ 45 ilə 60 dərəcə arasında əriyir, az duzlu olur və yavaş əmələ gəlir; üçüncü növün ərimə nöqtəsi ana polimerdən bir qədər aşağıdır və daha sürətlə əmələ gəlir. Tədqiqat və təhlillər göstərir ki: birinci növ sferulit, ehtimal ki, PEO3-LiCIO4; ikinci növ PEO-LiCIO4 və PEO3-LiCIO4 komplekslərinin qarışığı ola bilər; üçüncü növ isə PEO-nun özünə uyğun gəlir. Bundan əlavə, litium duzunun tərkibi və istilik müalicəsi prosesi həm struktur dəyişikliklərinə səbəb ola bilər.
Polimer elektrolitləri yüksək ion keçiriciliyinə malik funksional polimer materialları sinfidir, polimerlər və matris kimi polimerlərdən istifadə edərək metal duzları arasında mürəkkəbləşmə reaksiyaları nəticəsində əmələ gəlir. Polimer matrisindən asılı olaraq ümumi polimer elektrolitlərinə PEO-əsaslı polimer elektrolitləri, PVDE-əsaslı polimer elektrolitləri, PMMA-əsaslı polimer elektrolitləri və başqaları daxildir. Qeyri-üzvi bərk elektrolitlərdən fərqli olaraq polimer elektrolitləri yüngül, elastik və sabitdir. Qeyri-üzvi bərk elektrolitlər kimi, polimer elektrolitlər də litium ion batareyalarında ionlar-keçirmir, həm də batareya ayırıcı rolunu oynayır. Polimer elektrolitlər əsasən aşağıdakı üstünlüklərə malikdir:
Litium -ion batareyalarında litium dendrit əmələ gəlməsi problemini effektiv şəkildə həll edə bilər.
O, litium-ion batareyalarının doldurulması və boşaldılması prosesi zamanı deformasiyaya yaxşı uyğunlaşa bilir.
Litium ion batareyalarındakı elektrolit və elektrod materialları arasında kimyəvi reaksiyanı azalda və ya hətta aradan qaldıra bilər.
Yüksək təhlükəsizlik performansına malikdir
Müxtəlif litium duzlarının (LBF4, LIPF6, LiCFSO4 və LiASF6 daxil olmaqla) PEO ilə əmələ gətirdiyi komplekslər əsasən LiCIO4 tərəfindən əmələ gələnlərə bənzəyir, yəni litium duzunun növü PEO ilə əmələ gələn kompleksin növünə birbaşa təsir göstərmir. Xüsusilə, LiBF PEO ilə iki kompleks yarada bilər: PEO4-LIBF və PEO,S-LiBF. O/Li nisbəti 16 ilə 20 arasında olduqda, PEO2.5-LIBF4 PEO ilə evtektik əmələ gətirə bilər. LPF6 həmçinin PEO ilə iki kompleks yarada bilər: PEO6-LiPF6 və PEO:-LiPF6. LiASF6-nın PEO ilə yaratdığı iki kompleks LiPF6-nın komplekslərinə bənzəyir, lakin nisbətən daha yüksək ərimə nöqtələrinə malikdir. Böyük anion litium duzları da PEO ilə komplekslər yarada bilər, lakin kinetikası daha yavaşdır. Bundan əlavə, təzyiq kristal artımına da müəyyən dərəcədə təsir göstərir. Daha yüksək təzyiq sferulitin böyüməsini təşviq edir, amorf bölgəni azaldır və müvafiq olaraq litium-ion keçiriciliyini azaldır.