Тонкоплестная литий-ионная батарея
Тонкопленка литий-ионная батарея представляет собой форму твердотельной батареи . [ 1 ] Его разработка мотивирована перспективой сочетания преимуществ твердотельных батарей с преимуществами процессов производства тонкоплетения .
Тонкоплестная конструкция может привести к улучшению определенной энергии , плотности энергии и плотности энергии в верхней части усиления от использования твердого электролита . Это обеспечивает гибкие ячейки толщиной всего несколько микрон . [ 2 ] Это также может снизить производственные затраты от масштабируемой обработки рулона к ролике и даже позволить использовать дешевые материалы. [ 3 ]
Фон
[ редактировать ]Литий-ионные батареи хранят химическую энергию в реактивных химических веществах на анодах и катодах клетки. Как правило, аноды и катоды обмениваются ионами лития (Li+) через жидкий электролит , который проходит через пористый сепаратор , который предотвращает прямой контакт между анодом и катодом. Такой контакт приведет к внутреннему короткому замыканию и потенциально опасной неконтролируемой реакции. Электрический ток обычно переносится проводящими коллекционерами в анодах и катодах в отрицательные и положительные терминалы клетки и из -за положительных терминалов (соответственно).
В тонкой пленке литийной батареи электролит твердый, а другие компоненты осаждаются в слоях на подложке . В некоторых конструкциях твердый электролит также служит сепаратором.
Компоненты тонкой пленки батареи
[ редактировать ]Катодные материалы
[ редактировать ]Катодные материалы в тонкопленочных литий-ионных батареях такие же, как и в классических литий-ионных батареях. Обычно это оксиды металлов, которые осаждаются в качестве пленки различными методами.
Материалы оксида металла приведены ниже, а также их относительные специфические возможности ( λ ), напряжения открытых цепей ( V OC ) и плотность энергии ( D E ).
| Λ (ах/кг) | В OC (V) | D E (WH/кг) | |
|---|---|---|---|
| LICOO 2 | 145 | 4 | 580 |
| Limn 2 O 4 | 148 | 4 | 592 |
| LifePo 4 | 170 | 3.4 | 578 |
| D E = λ V OC |
| Λ : емкость (мах/г) |
| V OC : Потенциал открытой цепи |
Методы осаждения катодных материалов
[ редактировать ]Существуют различные методы, используемые для осаждения тонкопленочных катодных материалов на текущий коллекционер.
Импульсное лазерное осаждение
[ редактировать ]При импульсном лазерном осаждении материалы изготовлены путем управления такими параметрами, как лазерная энергия и флюенс, температура субстрата, фоновое давление и расстояние с целевым имут.
Микроволновая печь
[ редактировать ]В магнетронном распылении подложка охлаждается для осаждения.
Химическое осаждение пара
[ редактировать ]В химическом осаждении паров летучие материалы -предшественники осаждаются на субстратный материал.
Sol-Gel обработка
[ редактировать ]Сола-гель обрабатывает однородное смешивание материалов-предшественников на атомном уровне.
Электролит
[ редактировать ]Наибольшее различие между классическими литий-ионными батареями и тонкими, гибкими, литий-ионными батареями находится в электролитном используемом материале. Прогресс в литий-ионных батареях так же сильно зависит от улучшений в электролите, как и в электродных материалах, поскольку электролит играет важную роль в безопасной работе батареи. Концепция тонкопленочных литий-ионных батарей все более мотивировалась из-за производственных преимуществ, представленных полимерной технологией для их использования в качестве электролитов. Lipon, литий -фосфор оксинитрид, представляет собой аморфный стеклянный материал, используемый в качестве электролитного материала в тонких пленках гибких батарей. Слои липона осаждаются на катодном материале при температуре окружающей среды с помощью РЧ -магнетронного распыления. Это образует твердый электролит , используемый для ионной проводимости между анодом и катодом. [ 4 ] [ 5 ] Libon, литий -бор оксинитрид, представляет собой еще один аморфный стеклянный материал, используемый в качестве твердого электролитного материала в тонких пленках гибких батарей. [ 6 ] Сплошные полимерные электролиты предлагают несколько преимуществ по сравнению с классической жидкой литий-ионной батареей. Вместо того, чтобы иметь отдельные компоненты электролита, связующего и сепаратора, эти твердые электролиты могут действовать как все три. Это увеличивает общую плотность энергии собранной батареи, потому что составляющие всей ячейки более плотно упакованы.
Материал сепаратора
[ редактировать ]Материалы сепаратора в литий-ионных батареях не должны блокировать транспортировку литий-ионов, предотвращая физический контакт анодных и катодных материалов, например, короткометражный. В жидкой ячейке этот сепаратор будет пористой стеклянной или полимерной сеткой, которая позволяет переносить ионный перенос через жидкий электролит через поры, но удерживает электроды контактировать и уколоть. Тем не менее, в тонкой пленочной батареи электролит является твердым, что удобно удовлетворяет как ионному транспортировке, так и требованиям к физическому разделению без необходимости выделенного сепаратора.
Текущий коллекционер
[ редактировать ]Текущие коллекционеры в тонкопленочных батареях должны быть гибкими, иметь высокую площадь поверхности и быть рентабельными. Было показано, что нанопроволки серебряных серебра с улучшенной площадью поверхности и весом нагрузки работают в качестве коллекционера тока в этих системах батареи, но все же не так экономически эффективно. Распространение графитовых технологий на литий-ионные батареи, пленки, обработанные из углеродных нанотрубок (CNT), рассматриваются для использования в качестве текущего коллекционера и анодного материала. УНТ имеют возможность интеркалировать литий и поддерживать высокие рабочие напряжения, все с низкой массовой нагрузкой и гибкостью.
Преимущества и проблемы
[ редактировать ]Тонкопленочные литий-ионные батареи обеспечивают улучшенную производительность путем более высокого среднего выходного напряжения, более легких весов, таким образом, более высокой плотности энергии (3 раза) и более длительного срока действия велосипеда (1200 циклов без деградации) и могут работать в более широком диапазоне температур (между- 20 и 60 ° C), чем типичные перезаряжаемые литий-ионные батареи.
Литий-переносные ячейки являются наиболее перспективными системами для удовлетворения потребности в высокой конкретной энергии и высокой мощности и будут дешевле в производстве.
В тонкопленочной литий-ионной аккумуляторе оба электрода способны к обратимой вставке лития, таким образом образуя ячейку переноса литий-ион. Чтобы построить тонкую пленочную батарею, необходимо изготовить все компоненты батареи, в качестве анода , сплошной электролит , катод и ток ведут в многослойные тонкие пленки с помощью подходящих технологий.
В системе на основе тонкой пленки электролит обычно представляет собой твердый электролит, способный соответствовать форме батареи. Это в отличие от классических литий-ионных батарей, которые обычно имеют жидкий электролитный материал. Жидкие электролиты могут быть сложными для использования, если они не совместимы с сепаратором. Также жидкие электролиты в целом вызывают увеличение общего объема батареи, что не идеально подходит для разработки системы, которая имеет высокую плотность энергии. Кроме того, в тонкой пленке гибкой литий -ионной батареи электролит, который обычно на основе полимера может действовать как электролит, сепаратор и материал связующего. Это обеспечивает возможность иметь гибкие системы, так как проблема утечки электролита обходится. Наконец, твердые системы могут быть плотно упакованы вместе, что дает увеличение плотности энергии по сравнению с классическими жидкими литий-ионными батареями.
Материалы сепаратора в литий-ионных батареях должны иметь возможность транспортировать ионы через свои пористые мембраны при сохранении физического разделения между анодом и катодными материалами, чтобы предотвратить короткое замыкание. Кроме того, сепаратор должен быть устойчив к деградации во время работы батареи. В тонкой пленке литий-ионной батареи сепаратор должен быть тонким и гибким твердым. Как правило, сегодня этот материал представляет собой материал на основе полимеров. Поскольку тонкопленочные батареи изготовлены из всех твердых материалов, позволяет использовать более простые материалы разделителя в этих системах, такие как ксерокс-бумага, а не в литий-ионных батареях на основе жидкости.
Научное развитие
[ редактировать ]Разработка тонких твердотельных аккумуляторов позволяет производить в роликах аккумуляторные батареи для снижения производственных затрат. Твердовые аккумуляторы также могут позволить себе повышенную плотность энергии из-за уменьшения общего веса устройства, в то время как гибкая природа обеспечивает новую конструкцию батареи и более легкое включение в электронику. Разработка по -прежнему требуется в катодных материалах, которые будут сопротивляться снижению пропускной способности из -за езды на велосипеде.
| Предыдущие технологии | Технология замены | Результат |
|---|---|---|
| Электролит на основе растворов | Твердое состояние электролит | Повышенная безопасность и велосипедный срок службы |
| Полимерные сепараторы | Бумажный сепаратор | Снижение затрат Увеличение ставки ионной проводимости |
| Коллекционеры металлического тока | Коллекционеры тока углеродных нанотрубков | Снижение веса устройства, повышенная плотность энергии |
| Графитный анод | Анод углеродного нанотрубки | Снижение сложности устройства |
Производители
[ редактировать ]Приложения
[ редактировать ]Достижения, достигнутые в тонкопленочной литий-ионной батареи, позволили для многих потенциальных применений. Большинство этих приложений направлены на улучшение доступных в настоящее время потребительских и медицинских продуктов. Тонкоплестные литий-ионные батареи могут использоваться для изготовления более тонкой портативной электроники, потому что толщина батареи, необходимой для работы устройства, может быть значительно уменьшена. Эти батареи имеют возможность быть неотъемлемой частью имплантируемых медицинских устройств, таких как дефибрилляторы и нервные стимуляторы, «умные» карты, карты, [ 8 ] радиочастотные идентификационные теги [ 3 ] и беспроводные датчики. [ 9 ] Они также могут служить способом хранения энергии, собранной у солнечных батарей или других устройств для сбора урожая. [ 9 ] Каждое из этих приложений возможно из -за гибкости размера и формы батарей. Размер этих устройств больше не должен вращаться вокруг размера пространства, необходимого для батареи. Тонкие пленочные батареи могут быть прикреплены к внутренней части корпуса или каким -то другим удобным способом. Есть много возможностей, в которых можно использовать этот тип батарей.
Устройства для хранения возобновляемой энергии
[ редактировать ]Тонкоплестная литий-ионная батарея может служить устройством для хранения энергии, собранной из возобновляемых источников с переменной скоростью генерации, такой как солнечная батарея или ветряная турбина . Эти батареи могут быть сделаны для низкой скорости самостоятельного разряда, что означает, что эти батареи могут храниться в течение длительных периодов времени без значительной потери энергии, которая использовалась для ее зарядки. Эти полностью заряженные батареи могут затем использоваться для питания некоторых или всех других потенциальных приложений, перечисленных ниже, или обеспечить более надежную мощность для электрической сети для общего использования.
Смарт -карты
[ редактировать ]Смарт -карты имеют такой же размер, что и кредитная карта, но они содержат микрочип, который можно использовать для доступа к информации, предоставления авторизации или обработки приложения. Эти карты могут проходить жесткие условия производства с температурами в диапазоне от 130 до 150 ° C, чтобы завершить высокие температурные процессы ламинирования высокого давления. [ 10 ] Эти условия могут привести к выходу из строя других батарей из -за дегазации или деградации органических компонентов в батарее. Было показано, что тонкопленочные литий-ионные батареи выдерживают температуру от -40 до 150 ° C. [ 9 ] Такое использование тонкопленочных литий-ионных батарей надеждается для других экстремальных температурных применений.
Радиочастотные идентификационные теги
[ редактировать ]Радиочастотные идентификационные теги могут использоваться во многих различных приложениях. Эти теги могут использоваться в упаковке, управлении запасами, используются для проверки подлинности и даже разрешения или отрицания доступа к чему -либо. Эти идентификационные теги могут иметь даже другие интегрированные датчики, позволяющие контролировать физическую среду, например, температуру или шок во время перемещения или доставки. Кроме того, расстояние, необходимое для чтения информации в теге, зависит от прочности батареи. Чем дальше вы хотите иметь возможность читать информацию, тем сильнее будет вывод, и, следовательно, тем больше источник питания для достижения этой выводы. По мере того, как эти теги становятся все более и более сложными, требования к аккумуляции должны будут быть в курсе. Тонкоплененные литий-ионные батареи показали, что они могут вписаться в конструкции метки из-за гибкости батареи по размеру и форме и достаточно мощно, чтобы достичь целей тега. Низко стоимость производственных методов, таких как рулон для рулона, эти батареи могут даже позволить такого рода технологии радиочастотной идентификации в одноразовых приложениях. [ 3 ]
Имплантируемые медицинские устройства
[ редактировать ]Тонкие пленки LICOO рентгеновское 2 были синтезированы, в которых самое сильное отражение является либо слабым, либо отсутствующим, что указывает на высокую степень предпочтительной ориентации. Тонкоплентные твердотельные батареи с этими текстурированными катодными пленками могут обеспечить практические способности при высокой плотности тока. Например, для одной из ячеек 70% от максимальной емкости между 4,2 В и 3 В (приблизительно 0,2 мАч/см 2 ) был доставлен в ток 2 мА /см. 2 Полем При цикле с показателями 0,1 мА/см 2 , потеря емкости составляла 0,001%/цикл или меньше. Надежность и производительность Li Licoo 2 тонкопленочных батарей делают их привлекательными для применения в имплантируемых устройствах, таких как нервные стимуляторы, кардиостимуляторы и дефибрилляторы .
Имплантируемые медицинские устройства требуют аккумуляторов, которые могут доставлять устойчивый, надежный источник питания как можно дольше. Эти приложения требуют батареи, которая имеет низкую частоту самостоятельного разряда, когда он не используется, и высокая скорость мощности, когда его необходимо использовать, особенно в случае имплантируемого дефибриллятора . Кроме того, пользователям продукта понадобится батарея, которая может пройти много циклов, поэтому эти устройства не должны быть заменены или часто обслуживаются. Тонкоплестные литий-ионные батареи имеют возможность удовлетворить эти требования. Продвижение от жидкости в твердый электролит позволил этим батареям принять практически любую форму без беспокойства об утечке, и было показано, что некоторые типы тонкоплентных перезаряжаемых литиевых батарей могут длиться около 50 000 циклов. [ 11 ] Еще одним преимуществом для этих тонкопленочных батарей является то, что они могут быть расположены последовательно, чтобы придать большее напряжение, равное сумме отдельных напряжений батареи. Этот факт может быть использован для уменьшения «следа» батареи или размера пространства, необходимого для батареи, при конструкции устройства.
Беспроводные датчики
[ редактировать ]Беспроводные датчики должны использоваться на протяжении всего их применения, будь то в пакетном доставке или в обнаружении какого -то нежелательного соединения или контроля инвентаризации на складе. Если беспроводной датчик не может передавать свои данные из -за низкой или отсутствия батареи, последствия могут потенциально быть серьезными в зависимости от приложения. Кроме того, беспроводной датчик должен быть адаптирован к каждому применению. Поэтому аккумулятор должен быть в состоянии вписаться внутри разработанного датчика. Это означает, что желаемая батарея для этих устройств должна быть долгосрочной, специфичной для размера, низкой стоимостью, если они будут использоваться в одноразовых технологиях, и должны соответствовать требованиям процессов сбора и передачи данных. Еще раз, тонкопленочные литий-ионные батареи показали способность соответствовать всем этим требованиям.
Смотрите также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Джонс, Кевин С.; Рудавский, Николас Г.; Оладеджи, Исаия; Питтс, Роланд; Фокс, Ричард (март 2012 г.). «Состояние твердотельных батарей» (PDF) . Бюллетень Американского керамического общества . 91 (2).
... Альтернатива типичным жидкости на основе жидкости активно преследуется за последние 20 лет. Эта альтернатива использует твердотельный электролит и, таким образом, называется твердотельной или тонкой пресс-аккумулятором.
- ^ Талин, Алек (10 ноября 2016 г.). «Изготовление, тестирование и моделирование всех трехмерных литий-ионных аккумуляторов с твердым состоянием» . ACS Applied Materials & Interfaces . 8 (47): 32385–32391. doi : 10.1021/acsami.6b12244 . PMC 5526591 . PMID 27933836 .
- ^ Jump up to: а беременный в Ху, л; Wu, h; La Mantia, F; Ян, у; Cui, Y (2010). «Тонкие, гибкие вторичные литий-ионные бумажные батареи» (PDF) . ACS Nano . 4 (10): 5843–5848. doi : 10.1021/nn1018158 . PMID 20836501 .
- ^ Джи, Сын Хён; Ли, Ман-Джонг; Ан, Хо Санг; Ким, Дон-джу; Чой, Джи выиграл; Юн, Сеок Джин; Нам, Санг Чеол; Ким, Су Хо; Юн, Янг Су (2010). «Характеристики нового типа твердотельного электролита с липоновым интернетсом для литий-ионных тонкопленочных батарей». Твердое государство ионика . 181 (19–20): 902–906. doi : 10.1016/j.ssi.2010.04.017 .
- ^ «Тонкоплененные перезаряжаемые литий-ионные батареи». Сплошное государственное подразделение Oak Ridge National Lab . 1995.
- ^ Song, S.W.; Ли, К.-С.; Парк, Х.-Ю. (2016). «Высокопроизводительные гибкие микробаттеры с полным государством на основе твердого электролита литиевого бора оксинитрида». Журнал источников питания . 328 : 311–317. Bibcode : 2016jps ... 328..311s . doi : 10.1016/j.jpowsour.2016.07.114 .
- ^ «Ламинированный тип литий -ионный вторичные батареи» . Мурата Производство . Получено 11 ноября 2022 года .
- ^ «Твердовые литиевые батареи с твердым состоянием». Твердовое государство и материаловая наука : 479–482. 2008
- ^ Jump up to: а беременный в «Тонкие пленки микро-батареи». Интерфейс электрохимического общества . 4 : 44–48. 2008
- ^ "Смарт -карты" . www.excellatron.com . Архивировано из оригинала 7 декабря 2004 года . Получено 14 мая 2023 года .
- ^ Патил, Арун; Патил, Вайшали; Вук Шин, Донг; Чой, Джи-Вон; Пайк, Донг-су; Юн, Seok-Jin (2008). «Проблема и проблемы, с которыми сталкиваются аккумуляторные литиевые батареи с актуальной пленкой». Бюллетень исследований материалов . 43 (8–9): 1913–1942. doi : 10.1016/j.materresbull.2007.08.031 .
