Phát triển ứng dụng của tất cả pin Lithium màng mỏng thể rắn

Việc phát triển các nguồn điện hóa học ngày càng đi theo hướng có năng lượng riêng cao, tuổi thọ cao và độ an toàn cao. Pin lithium màng mỏng toàn thể rắn đã trở thành loại pin lithium phổ biến nhất. Pin lithium màng mỏng trạng thái rắn hoàn toàn vô cơ sử dụng điện cực âm và dương màng mỏng và chất điện phân rắn màng mỏng. Hình thái màng mỏng của chất điện phân rắn có thể thay thế chất điện phân lỏng bằng chất điện phân rắn có độ dẫn ion thấp hơn. Hình thái màng mỏng của các điện cực âm và dương làm cho nó có thể ứng dụng nhiều vật liệu âm và dương có sự thay đổi lớn về thể tích điện tích và phóng điện, chẳng hạn như liti kim loại và silicon màng mỏng Chờ. Đồng thời, do hình thái màng mỏng của pin lithium màng mỏng nên dễ dàng chế biến thành pin kích thước micromet, thậm chí còn có thể nghiên cứu sâu hơn thành pin kích thước nano. Do đó, pin lithium màng mỏng không chỉ trở thành điểm nóng nghiên cứu của các nguồn năng lượng hóa học thế hệ tiếp theo, mà còn là nghiên cứu tất yếu về pin siêu nhỏ. Phương hướng phát triển.

Các hướng nghiên cứu hiện nay đối với pin lithium màng mỏng trạng thái rắn hoàn toàn vô cơ chủ yếu được chia thành: (1) Nghiên cứu và phát triển cấu trúc pin mới, cải thiện dung lượng pin trên một đơn vị diện tích và công suất xả, giải quyết vấn đề diện tích đơn vị thấp Dung lượng và công suất của pin lithium màng mỏng: (2) Nghiên cứu các loại chất điện phân rắn mới có độ dẫn điện ion cao để giải quyết vấn đề độ dẫn điện ion lithium thấp trong chất điện phân rắn vô cơ: (3) Nghiên cứu các loại điện cực âm và dương mới , để các điện cực âm và dương sau khi hình thành màng có

1. Nghiên cứu cấu trúc của pin lithium màng mỏng

Pin lithium màng mỏng sử dụng cấu trúc nhiều lớp cổ điển, cấu trúc đơn giản và dễ gia công. Tuy nhiên, để nâng cao hơn nữa hiệu suất của pin, các nghiên cứu về cấu trúc của pin lithium màng mỏng đang dần tăng lên, đặc biệt là cấu trúc 3D pin lithium màng mỏng đã trở thành một điểm nóng nghiên cứu do hiệu suất tốt của nó. Trong cấu trúc 3D của pin lithium màng mỏng, nó tương tự như cấu trúc xốp của pin 3D. Loại pin này được xử lý với nhiều vi hạt sắp xếp đều đặn trên đế silicon, và lớp rào cản khuếch tán Li, TiN được lắng đọng trong các vi hạt, và sau đó silicon được sử dụng làm điện cực âm. LiPON là chất điện phân, LiCoO2 là điện cực dương để tạo nên pin.

2. Nghiên cứu về chất điện li vô cơ

Pin sử dụng chất điện phân rắn vô cơ có nhiều ưu điểm hơn so với pin điện phân, chẳng hạn như ổn định điện hóa, ổn định nhiệt, chống sốc, chống va đập, không có vấn đề rò rỉ và ô nhiễm, dễ dàng thu nhỏ và tạo màng mỏng. Một chất điện ly rắn vô cơ tốt phải có các đặc điểm sau: (1) Độ dẫn ion liti cao và độ dẫn điện tử hầu như không đáng kể trong trạng thái hoạt động của liti và phạm vi nhiệt độ xung quanh; (2) Nó phải ổn định trong các phản ứng điện hóa, đặc biệt là Bề mặt tiếp xúc với điện cực âm của liti hoặc hợp kim liti; (3) Để sử dụng được, chất điện phân rắn phải thân thiện với môi trường, không độc hại, chi phí thấp và dễ điều chế, và tốt nhất là hệ số giãn nở nhiệt phải phù hợp với các điện cực ở cả hai phía, ít nhất không quá khác biệt.

(1) Chất điện ly vô cơ tinh thể

Hiện tại, các chất điện ly vô cơ dạng tinh thể đã cho thấy độ dẫn ion cao trong nhiều báo cáo, và chúng có thể được chia thành các chất điện ly rắn kiểu NASICON, kiểu LISICON, kiểu Thio-LISICON, kiểu perovskite và các cấu trúc khác. Cấu trúc của chất điện phân rắn NASICON nói chung là M [A2B3O12]. Mặc dù chất điện phân NASICON có độ dẫn ion cao, sản phẩm T dễ bị khử bởi liti kim loại, dẫn đến tiếp xúc không ổn định với liti kim loại.

LISICON cũng có độ dẫn ion cao. Cấu trúc điển hình của nó là chất điện phân loại Lisa.Zn1.GeO1sThio-LISl-CON để cải thiện độ dẫn ion của chất điện phân. Trong chất điện phân loại LISICON, lưu huỳnh được sử dụng thay cho oxy, chẳng hạn như Li2GeS3, Li4GeS4, Li2ZnGeS4 Và các vật liệu mới khác, độ dẫn ion của nó có thể đạt 6,5 × 10-5S / cm.

Các hướng nghiên cứu hiện nay đối với pin lithium màng mỏng trạng thái rắn hoàn toàn vô cơ chủ yếu được chia thành: (1) Nghiên cứu và phát triển cấu trúc pin mới, cải thiện dung lượng pin trên một đơn vị diện tích và công suất xả, giải quyết vấn đề diện tích đơn vị thấp Dung lượng và công suất của pin lithium màng mỏng: (2) Nghiên cứu các loại chất điện phân rắn mới có độ dẫn điện ion cao để giải quyết vấn đề độ dẫn điện ion lithium thấp trong chất điện phân rắn vô cơ: (3) Nghiên cứu các loại điện cực âm và dương mới , để các điện cực âm và dương sau khi hình thành màng có

1. Nghiên cứu cấu trúc của pin lithium màng mỏng

Pin lithium màng mỏng sử dụng cấu trúc nhiều lớp cổ điển, cấu trúc đơn giản và dễ gia công. Tuy nhiên, để nâng cao hơn nữa hiệu suất của pin, các nghiên cứu về cấu trúc của pin lithium màng mỏng đang dần tăng lên, đặc biệt là cấu trúc 3D pin lithium màng mỏng đã trở thành một điểm nóng nghiên cứu do hiệu suất tốt của nó. Trong cấu trúc 3D của pin lithium màng mỏng, nó tương tự như cấu trúc xốp của pin 3D. Loại pin này được xử lý với nhiều vi hạt sắp xếp đều đặn trên đế silicon, và lớp rào cản khuếch tán Li, TiN được lắng đọng trong các vi hạt, và sau đó silicon được sử dụng làm điện cực âm. LiPON là chất điện phân, LiCoO2 là điện cực dương để tạo nên pin.

2. Nghiên cứu về chất điện li vô cơ

Pin sử dụng chất điện phân rắn vô cơ có nhiều ưu điểm hơn so với pin điện phân, chẳng hạn như ổn định điện hóa, ổn định nhiệt, chống sốc, chống va đập, không có vấn đề rò rỉ và ô nhiễm, dễ dàng thu nhỏ và tạo màng mỏng. Một chất điện ly rắn vô cơ tốt phải có các đặc điểm sau: (1) Độ dẫn ion liti cao và độ dẫn điện tử hầu như không đáng kể trong trạng thái hoạt động của liti và phạm vi nhiệt độ xung quanh; (2) Nó phải ổn định trong các phản ứng điện hóa, đặc biệt là Bề mặt tiếp xúc với điện cực âm của liti hoặc hợp kim liti; (3) Để sử dụng được, chất điện phân rắn phải thân thiện với môi trường, không độc hại, chi phí thấp và dễ điều chế, và tốt nhất là hệ số giãn nở nhiệt phải phù hợp với các điện cực ở cả hai phía, ít nhất không quá khác biệt.

(1) Chất điện ly vô cơ tinh thể

Hiện tại, các chất điện ly vô cơ dạng tinh thể đã cho thấy độ dẫn ion cao trong nhiều báo cáo, và chúng có thể được chia thành các chất điện ly rắn kiểu NASICON, kiểu LISICON, kiểu Thio-LISICON, kiểu perovskite và các cấu trúc khác. Cấu trúc của chất điện phân rắn NASICON nói chung là M [A2B3O12]. Mặc dù chất điện phân NASICON có độ dẫn ion cao, sản phẩm T dễ bị khử bởi liti kim loại, dẫn đến tiếp xúc không ổn định với liti kim loại.

LISICON cũng có độ dẫn ion cao. Cấu trúc điển hình của nó là chất điện phân loại Lisa.Zn1.GeO1sThio-LISl-CON để cải thiện độ dẫn ion của chất điện phân. Trong chất điện phân loại LISICON, lưu huỳnh được sử dụng thay cho oxy, chẳng hạn như Li2GeS3, Li4GeS4, Li2ZnGeS4 Và các vật liệu mới khác, độ dẫn ion của nó có thể đạt 6,5 × 10-5S / cm.