Οι στερεοί ηλεκτρολύτες έχουν πολλά πλεονεκτήματα έναντι των υγρών ηλεκτρολυτών. Για παράδειγμα, μπορούν να μετριάσουν την παραμόρφωση του ηλεκτροδίου κατά τη φόρτιση και την εκφόρτιση, βελτιώνοντας την ασφάλεια. Έχουν επίσης εξαιρετική σταθερότητα, είναι εύκολο να επεξεργαστούν, και την ανάπτυξη τουλίθιοΟι δενδρίτες μπορούν να ελαχιστοποιηθούν σε ηλεκτρολύτες στερεών πολυμερών χωρίς διαλύτες-.
Η έρευνα για τους πολυμερείς ηλεκτρολύτες ξεκίνησε ήδη από το 1973, όταν οι Fenton et al. ανακάλυψε ότι τα σύμπλοκα πολυαιθυλενοξειδίου (PEO) με αλκαλικά μέταλλα θα μπορούσαν να αγώγουν ιόντα. Έκτοτε, οι πολυμερείς ηλεκτρολύτες έχουν προσελκύσει μεγάλη προσοχή.
Το 1978, ο Δρ. Armand προέβλεψε ότι οι ηλεκτρολύτες πολυμερών στερεών-με βάση PEO-με βάση την στερεά κατάσταση-θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ως ηλεκτρολύτες για μπαταρίες.
Τις επόμενες δύο δεκαετίες, οι ερευνητές αφιέρωσαν τεράστιες προσπάθειες στη μελέτη του μηχανισμού αγωγιμότητας των ιόντων και των φυσικοχημικών ιδιοτήτων του ορίου του ηλεκτρολύτη- στην μπαταρία και σημείωσαν καλή πρόοδο.
Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου- που χρησιμοποιούν ηλεκτρολύτες στερεού πολυμερούς μπορούν να αποτρέψουν προβλήματα διαρροής που σχετίζονται με υγρούς ηλεκτρολύτες.
Τα πολυμερή είναι εύκολο στην επεξεργασία και μπορούν να μικροποιηθούν. Λόγω της υψηλής πλαστικότητάς τους, τα πολυμερή μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία μπαταριών λεπτής-μεμβράνης. Διαφορετικές δομές μπαταριών μπορούν να κατασκευαστούν με χρήση πολυμερών ηλεκτρολυτών για την κάλυψη διαφόρων απαιτήσεων εφαρμογής. Επιπλέον, οι ηλεκτρολύτες πολυμερών προσφέρουν υψηλότερη χημική, ηλεκτροχημική και θερμική σταθερότητα σε σύγκριση με τους υγρούς ηλεκτρολύτες, με λιγότερες πλευρικές αντιδράσεις με τα ηλεκτρόδια και μεγαλύτερο εύρος θερμοκρασίας λειτουργίας. Η ευελιξία των πολυμερών ηλεκτρολυτών μπορεί να ρυθμίσει τις αλλαγές όγκου στα ηλεκτρόδια κατά τη φόρτιση και την εκφόρτιση, σταθεροποιώντας τη δομή της μπαταρίας. Επομένως, μετά την εμπορευματοποίηση των μπαταριών υγρών-ιόντων, η τεχνολογία μπαταριών ιόντων λιθίου{{7} που βασίζεται σε ηλεκτρολύτες πολυμερών θα αναπτυχθεί γρήγορα και θα επιτύχει επιτυχημένη εμπορευματοποίηση.
Υπάρχουν πολλές μέθοδοι για την ταξινόμηση των πολυμερών ηλεκτρολυτών και τα πρότυπα ποικίλλουν. Επί του παρόντος, οι ηλεκτρολύτες στερεών πολυμερών διακρίνονται κυρίως ανάλογα με τον τύπο του πολυμερούς που χρησιμοποιείται, όπως το πιο διάσημο πολυαιθυλενοξείδιο με βάση-πολυαιθέρα (PEO), καθώς και μεθακρυλικό πολυμεθυλεστέρα (PMMA) και πολυακρυλονιτρίλιο (PAN). Σε γενικές γραμμές, οι ηλεκτρολύτες πολυμερών πρέπει να πληρούν τις ακόλουθες προϋποθέσεις για να χρησιμοποιηθούν πρακτικά σε μπαταρίες ιόντων λιθίου-.
Υψηλή ιοντική αγωγιμότητα
Σημαντικός αριθμός μεταφοράς ιόντων λιθίου-
Καλή μηχανική αντοχή
Ευρύ ηλεκτροχημικό παράθυρο
Εξαιρετική χημική και θερμική σταθερότητα
Στα σημερινά συστήματα πολυμερών ηλεκτρολυτών, τα πολυμερή εμφανίζουν σημαντική κρυσταλλικότητα σε θερμοκρασία δωματίου, γεγονός που εξηγεί γιατί η αγωγιμότητα των στερεών πολυμερών ηλεκτρολυτών σε θερμοκρασία δωματίου είναι πολύ χαμηλότερη από αυτή των υγρών ηλεκτρολυτών. Οι περισσότεροι κρύσταλλοι στα πολυμερή είναι σφαιρίτες, με άμορφες περιοχές μεταξύ τους. Γενικά πιστεύεται ότι η αγωγιμότητα ιόντων λιθίου- εμφανίζεται κυρίως σε αυτές τις άμορφες περιοχές.
Επομένως, η κατανόηση της δομής φάσης των πολυμερών είναι χρήσιμη για τη μελέτη του μηχανισμού αγωγιμότητας ιόντων λιθίου-.
Για συστήματα δυαδικών πολυμερών ηλεκτρολυτών, η δομή φάσης αποτελείται κυρίως από δύο τύπους: κρυσταλλικές περιοχές και άμορφες περιοχές. Ο σχηματισμός κρυσταλλικών περιοχών καθοδηγείται κινητικά και σχετίζεται άμεσα με συγκεκριμένες συνθήκες και χρόνο προετοιμασίας. Αυστηρά μιλώντας, λόγω της παρουσίας κρυσταλλικών περιοχών στο πολυμερές σύστημα και της σημαντικής διαφοροποίησης αυτών των περιοχών με διαφορετικές συνθήκες, η σύγκριση της αγωγιμότητας διαφορετικών τύπων ηλεκτρολυτών πολυμερών δεν είναι πολύ επιστημονική. Ωστόσο, υπό ορισμένες συνθήκες, εάν η ανάπτυξη των κρυσταλλικών περιοχών είναι αργή και η απόκλιση στην ιοντική αγωγιμότητα είναι εντός ενός αποδεκτού εύρους, η σύγκριση της αγωγιμότητας είναι αποδεκτή. Αυτός είναι ο λόγος που συχνά συγκρίνουμε διαφορετικά αποτελέσματα.
Δεδομένου ότι η ανάπτυξη των σφαιριλιτών στο πολυμερές εξαρτάται-από το χρόνο, η ιοντική αγωγιμότητα σε θερμοκρασίες κάτω από το σημείο τήξης του πολυμερούς εξαρτάται επίσης από το χρόνο-. Επιπλέον, η αγωγιμότητα ιόντων λιθίου-των πολυμερών ηλεκτρολυτών σχετίζεται με τον ρυθμό θέρμανσης, τον ρυθμό ψύξης και τον χρόνο χαλάρωσης. Για παράδειγμα, ένας μεγαλύτερος χρόνος χαλάρωσης έχει ως αποτέλεσμα μια πιο ολοκληρωμένη κρυσταλλική δομή πολυμερούς και υψηλότερη κρυσταλλικότητα, οδηγώντας σε σταδιακή μείωση της ιοντικής αγωγιμότητας στο ελάχιστο με την αύξηση του χρόνου χαλάρωσης. Ομοίως, ένας πιο αργός ρυθμός ψύξης οδηγεί σε πληρέστερη κρυστάλλωση και η αντίστοιχη ιοντική αγωγιμότητα θα μειωθεί επίσης σταδιακά στο ελάχιστο.
Λαμβάνοντας ως παράδειγμα τον δυαδικό στερεό πολυμερή ηλεκτρολύτη PEO και LiCIO4, αυτή η δομή περιέχει δομές πολλαπλών φάσεων. Πρώτον, το LiClO4 και το PEO μπορούν να σχηματίσουν διάφορα σύμπλοκα, συμπεριλαμβανομένων των PEO6-LiCIO4, PEO3-LiCIO4, PEO2-LiCIO4 και PEO-LiClO4. Μεταξύ αυτών, όταν O:Li=10:1, το PEO6-LiCIO4 μπορεί να σχηματίσει ευτηκτική με PEO, με σημείο τήξης 50 μοίρες. Επιπλέον, όταν η θερμοκρασία ανέβει στους 160 βαθμούς, μπορεί να σχηματιστεί μια μεγάλη ευτηκτική. Κατά τη διαδικασία ψύξης, η μεγάλη ευτηκτική θα παράγει τρεις διαφορετικούς τύπους σφαιριλιτών: ο πρώτος τύπος λιώνει πάνω από 120 βαθμούς και έχει υψηλή περιεκτικότητα σε αλάτι. Ο δεύτερος τύπος λιώνει μεταξύ 45 και 60 μοιρών, έχει χαμηλή περιεκτικότητα σε αλάτι και σχηματίζεται αργά. Ο τρίτος τύπος έχει σημείο τήξης ελαφρώς χαμηλότερο από το πολυμερές ξενιστή και σχηματίζεται ταχύτερα. Έρευνες και αναλύσεις υποδεικνύουν ότι: ο πρώτος τύπος σφαιρυλίτη είναι πιθανός ο PEO3-LiCIO4. Ο δεύτερος τύπος μπορεί να είναι ένα μείγμα συμπλόκων PEO-LiCIO4 και PEO3-LiCIO4. και ο τρίτος τύπος αντιστοιχεί στην ίδια την ΠΕΟ. Επιπλέον, η περιεκτικότητα σε άλατα λιθίου και η διαδικασία θερμικής επεξεργασίας μπορούν και οι δύο να οδηγήσουν σε δομικές αλλαγές.
Οι ηλεκτρολύτες πολυμερών είναι μια κατηγορία λειτουργικών πολυμερών υλικών με υψηλή ιοντική αγωγιμότητα, που σχηματίζονται από αντιδράσεις συμπλοκοποίησης μεταξύ πολυμερών και μεταλλικών αλάτων χρησιμοποιώντας πολυμερή ως μήτρα. Ανάλογα με την πολυμερή μήτρα, οι κοινοί ηλεκτρολύτες πολυμερών περιλαμβάνουν πολυμερείς ηλεκτρολύτες με βάση PEO, ηλεκτρολύτες πολυμερούς με βάση-PVDE, πολυμερείς ηλεκτρολύτες με βάση PMMA-και άλλους. Σε αντίθεση με τους ανόργανους ηλεκτρολύτες- στερεάς κατάστασης, οι ηλεκτρολύτες πολυμερούς είναι ελαφροί, ελαστικοί και σταθεροί. Όπως οι ανόργανοι ηλεκτρολύτες στερεάς-κατάστασης, οι ηλεκτρολύτες πολυμερών όχι μόνο αγώγουν ιόντα σε μπαταρίες ιόντων λιθίου-αλλά λειτουργούν και ως διαχωριστές μπαταριών. Οι πολυμερείς ηλεκτρολύτες έχουν κυρίως τα ακόλουθα πλεονεκτήματα:
Μπορεί να λύσει αποτελεσματικά το πρόβλημα του σχηματισμού δενδρίτη λιθίου σε μπαταρίες ιόντων λιθίου-
Μπορεί να προσαρμοστεί καλά στην παραμόρφωση κατά τη διαδικασία φόρτισης και εκφόρτισης των μπαταριών ιόντων λιθίου-
Μπορεί να μειώσει ή ακόμα και να εξαλείψει τη χημική αντίδραση μεταξύ του ηλεκτρολύτη και των υλικών ηλεκτροδίων στις μπαταρίες ιόντων λιθίου-
Έχει υψηλή απόδοση ασφάλειας
Τα σύμπλοκα που σχηματίζονται από διαφορετικά άλατα λιθίου (συμπεριλαμβανομένων των LBF4, LIPF6, LiCFSO4 και LiASF6) με PEO είναι βασικά παρόμοια με αυτά που σχηματίζονται από το LiCIO4, πράγμα που σημαίνει ότι ο τύπος του άλατος λιθίου δεν έχει άμεση επίδραση στον τύπο του συμπλόκου που σχηματίζεται με το PEO. Συγκεκριμένα, το LiBF μπορεί να σχηματίσει δύο συμπλέγματα με το PEO: PEO4-LIBF και PEO,S-LiBF. Όταν ο λόγος O/Li είναι μεταξύ 16 και 20, το PEO2.5-LIBF4 μπορεί να σχηματίσει ευτηκτική με το PEO. Το LPF6 μπορεί επίσης να σχηματίσει δύο σύμπλοκα με το PEO: PEO6-LiPF6 και PEO:-LiPF6. Τα δύο σύμπλοκα που σχηματίζονται από το LiASF6 με το PEO είναι παρόμοια με αυτά του LiPF6, αλλά με σχετικά υψηλότερα σημεία τήξης. Τα μεγάλα άλατα λιθίου ανιόντων μπορούν επίσης να σχηματίσουν σύμπλοκα με το PEO, αλλά η κινητική είναι πολύ πιο αργή. Επιπλέον, η πίεση επηρεάζει επίσης την ανάπτυξη των κρυστάλλων σε κάποιο βαθμό. Η υψηλότερη πίεση προάγει την ανάπτυξη του σφαιρυλίτη, μειώνει την άμορφη περιοχή και αντίστοιχα μειώνει την αγωγιμότητα ιόντων λιθίου.