Elektrolity stałe mają wiele zalet w porównaniu z elektrolitami ciekłymi. Na przykład mogą łagodzić odkształcenia elektrod podczas ładowania i rozładowywania, poprawiając bezpieczeństwo. Mają także doskonałą stabilność, są łatwe w obróbce i wzrościelitliczbę dendrytów można zminimalizować w-wolnych od rozpuszczalników stałych elektrolitach polimerowych.
Badania nad elektrolitami polimerowymi rozpoczęły się już w 1973 roku, kiedy Fenton i in. odkryli, że kompleksy tlenku polietylenu (PEO) z metalami alkalicznymi mogą przewodzić jony. Od tego czasu elektrolity polimerowe cieszą się dużym zainteresowaniem.
W 1978 roku dr Armand przewidział, że elektrolity polimerowe w stanie stałym-na bazie PEO-mogą być stosowane jako elektrolity do akumulatorów.
Przez następne dwie dekady badacze włożyli ogromny wysiłek w badanie mechanizmu przewodzenia jonów i właściwości fizykochemicznych granicy elektrolitu-elektrody w akumulatorze i poczynili znaczne postępy.
Baterie litowo-jonowe wykorzystujące stałe elektrolity polimerowe mogą zapobiegać problemom z wyciekami związanymi z ciekłymi elektrolitami.
Polimery są łatwe w obróbce i można je miniaturyzować. Ze względu na ich wysoką plastyczność polimery można również stosować do tworzenia akumulatorów cienkowarstwowych. Przy użyciu elektrolitów polimerowych można wytwarzać różne konstrukcje akumulatorów, aby spełnić różne wymagania aplikacji. Co więcej, elektrolity polimerowe zapewniają wyższą stabilność chemiczną, elektrochemiczną i termiczną w porównaniu z elektrolitami ciekłymi, przy mniejszej liczbie reakcji ubocznych z elektrodami i szerszym zakresie temperatur roboczych. Elastyczność elektrolitów polimerowych może buforować zmiany objętości elektrod podczas ładowania i rozładowywania, stabilizując strukturę akumulatora. Dlatego po komercjalizacji akumulatorów ciekłych-jonowych technologia akumulatorów litowo-jonowych oparta na elektrolitach polimerowych będzie szybko się rozwijać i osiągnie pomyślną komercjalizację.
Istnieje wiele metod klasyfikacji elektrolitów polimerowych, a standardy są różne. Obecnie stałe elektrolity polimerowe rozróżnia się głównie ze względu na rodzaj użytego polimeru, np. najsłynniejszy politlenek etylenu na bazie polieteru- (PEO), a także polimetakrylan metylu (PMMA) i poliakrylonitryl (PAN). Ogólnie rzecz biorąc, elektrolity polimerowe muszą spełniać następujące warunki, aby można je było praktycznie stosować w akumulatorach litowo-jonowych.
Wysoka przewodność jonowa
Znaczny współczynnik przenoszenia-jonów litu
Dobra wytrzymałość mechaniczna
Szerokie okno elektrochemiczne
Doskonała stabilność chemiczna i termiczna
W obecnych układach polimerowo-elektrolitowych polimery wykazują znaczną krystaliczność w temperaturze pokojowej, co wyjaśnia, dlaczego przewodnictwo stałych elektrolitów polimerowych w temperaturze pokojowej jest znacznie niższe niż w przypadku elektrolitów ciekłych. Większość kryształów w polimerach to sferolity, pomiędzy którymi znajdują się obszary amorficzne. Powszechnie uważa się, że przewodzenie litu-jonowego zachodzi głównie w tych obszarach amorficznych.
Dlatego zrozumienie struktury fazowej polimerów jest pomocne w badaniu mechanizmu przewodzenia-jonów litu.
W przypadku binarnych układów elektrolitów polimerowych struktura fazowa składa się głównie z dwóch typów: obszarów krystalicznych i obszarów amorficznych. Tworzenie obszarów krystalicznych jest napędzane kinetycznie i jest bezpośrednio związane z określonymi warunkami przygotowania i czasem. Ściśle mówiąc, ze względu na obecność obszarów krystalicznych w układzie polimerowym i znaczne zróżnicowanie tych obszarów w różnych warunkach, porównywanie przewodności różnych typów elektrolitów polimerowych nie jest zbyt naukowe. Jednakże w pewnych warunkach, jeśli wzrost obszarów krystalicznych jest powolny, a odchylenie w przewodności jonowej mieści się w dopuszczalnym zakresie, dopuszczalne jest porównywanie przewodności. Dlatego często porównujemy różne wyniki.
Ponieważ wzrost sferolitów w polimerze jest zależny od czasu-, przewodność jonowa w temperaturach poniżej temperatury topnienia polimeru jest również zależna od czasu-. Co więcej, przewodność-jonów litu w elektrolitach polimerowych jest powiązana z szybkością ogrzewania, szybkością chłodzenia i czasem relaksacji. Na przykład dłuższy czas relaksacji skutkuje pełniejszą strukturą kryształów polimeru i wyższą krystalicznością, co prowadzi do stopniowego spadku przewodności jonowej do minimum wraz ze wzrostem czasu relaksacji. Podobnie, mniejsza szybkość chłodzenia skutkuje pełniejszą krystalizacją, a odpowiednia przewodność jonowa również będzie stopniowo spadać do minimum.
Biorąc za przykład binarny stały elektrolit polimerowy PEO i LiCIO4, struktura ta zawiera struktury wielofazowe. Po pierwsze, LiClO4 i PEO mogą tworzyć różne kompleksy, w tym PEO6-LiCIO4, PEO3-LiCIO4, PEO2-LiCIO4 i PEO-LiClO4. Wśród nich, gdy O:Li=10:1, PEO6-LiCIO4 może tworzyć z PEO eutektykę o temperaturze topnienia 50 stopni. Ponadto, gdy temperatura zostanie podniesiona do 160 stopni, może powstać duża eutektyka. Podczas procesu chłodzenia duża eutektyka wytworzy trzy różne typy sferolitów: pierwszy typ topi się w temperaturze powyżej 120 stopni i ma wysoką zawartość soli; drugi typ topi się w temperaturze od 45 do 60 stopni, ma niską zawartość soli i tworzy się powoli; trzeci typ ma temperaturę topnienia nieco niższą niż polimer macierzysty i tworzy się szybciej. Badania i analizy sugerują, że: pierwszym rodzajem sferolitu jest prawdopodobnie PEO3-LiCIO4; drugi typ może być mieszaniną kompleksów PEO-LiCIO4 i PEO3-LiCIO4; a trzeci typ odpowiada samemu PEO. Ponadto zawartość soli litu i proces obróbki cieplnej mogą prowadzić do zmian strukturalnych.
Elektrolity polimerowe to klasa funkcjonalnych materiałów polimerowych o wysokiej przewodności jonowej, powstająca w wyniku reakcji kompleksowania pomiędzy polimerami i solami metali z wykorzystaniem polimerów jako matrycy. W zależności od matrycy polimerowej typowe elektrolity polimerowe obejmują elektrolity polimerowe na bazie PEO-, elektrolity polimerowe na bazie PVDE-, elektrolity polimerowe na bazie PMMA-i inne. W przeciwieństwie do nieorganicznych elektrolitów-w stanie stałym, elektrolity polimerowe są lekkie, elastyczne i stabilne. Podobnie jak nieorganiczne elektrolity-w stanie stałym, elektrolity polimerowe nie tylko przewodzą jony w akumulatorach litowo-jonowych, ale także działają jako separatory akumulatorów. Elektrolity polimerowe mają głównie następujące zalety:
Może skutecznie rozwiązać problem tworzenia się dendrytów litu w akumulatorach litowo-jonowych
Potrafi dobrze dostosować się do odkształceń występujących podczas procesu ładowania i rozładowywania akumulatorów litowo--jonowych
Może zmniejszyć lub nawet wyeliminować reakcję chemiczną pomiędzy materiałem elektrolitu i elektrody w akumulatorach litowo-jonowych
Charakteryzuje się wysokim poziomem bezpieczeństwa
Kompleksy utworzone przez różne sole litu (w tym LBF4, LIPF6, LiCFSO4 i LiASF6) z PEO są w zasadzie podobne do tych tworzonych przez LiCIO4, co oznacza, że rodzaj soli litu nie ma bezpośredniego wpływu na rodzaj kompleksu utworzonego z PEO. W szczególności LiBF może tworzyć dwa kompleksy z PEO: PEO4-LIBF i PEO,S-LiBF. Gdy stosunek O/Li wynosi od 16 do 20, PEO2,5-LIBF4 może tworzyć eutektykę z PEO. LPF6 może także tworzyć z PEO dwa kompleksy: PEO6-LiPF6 i PEO:-LiPF6. Dwa kompleksy utworzone przez LiASF6 z PEO są podobne do kompleksów LiPF6, ale mają stosunkowo wyższą temperaturę topnienia. Wielkoanionowe sole litu mogą również tworzyć kompleksy z PEO, ale kinetyka jest znacznie wolniejsza. Ponadto ciśnienie w pewnym stopniu wpływa również na wzrost kryształów. Wyższe ciśnienie sprzyja wzrostowi sferolitu, zmniejsza obszar amorficzny i odpowiednio zmniejsza przewodność litowo-jonową.