Тонкопленочный литий-ионный аккумулятор
Тонкопленочная литий-ионная батарея представляет собой разновидность твердотельной батареи . [ 1 ] Его разработка мотивирована перспективой объединения преимуществ твердотельных батарей с преимуществами процессов производства тонких пленок .
Тонкопленочная конструкция может привести к улучшению удельной энергии , плотности энергии и плотности мощности помимо выигрыша от использования твердого электролита . Это позволяет создавать гибкие ячейки толщиной всего несколько микрон . [ 2 ] Это также может снизить производственные затраты за счет масштабируемой рулонной обработки и даже позволить использовать дешевые материалы. [ 3 ]
Фон
[ редактировать ]Литий-ионные аккумуляторы хранят химическую энергию в химически активных веществах на анодах и катодах элемента. Обычно аноды и катоды обменивают ионы лития (Li+) через жидкий электролит , который проходит через пористый сепаратор , который предотвращает прямой контакт между анодом и катодом. Такой контакт может привести к внутреннему короткому замыканию и потенциально опасной неконтролируемой реакции. Электрический ток обычно переносится проводящими коллекторами на анодах и катодах к отрицательным и положительным клеммам элемента и обратно (соответственно).
В тонкопленочной литиевой батарее электролит твердый, а остальные компоненты нанесены слоями на подложку . В некоторых конструкциях твердый электролит служит еще и сепаратором.
Компоненты тонкопленочной батареи
[ редактировать ]Катодные материалы
[ редактировать ]Материалы катода в тонкопленочных литий-ионных батареях такие же, как и в классических литий-ионных батареях. Обычно это оксиды металлов, которые наносятся в виде пленки различными методами.
Ниже показаны материалы оксидов металлов, а также их относительная удельная емкость ( Λ ), напряжение холостого хода ( V oc ) и плотность энергии ( D E ).
| л (Ач/кг) | В ОС (В) | D E (Втч/кг) | |
|---|---|---|---|
| ЛиКоО 2 | 145 | 4 | 580 |
| LiMn 2 O 4 | 148 | 4 | 592 |
| ЛиФеПО 4 | 170 | 3.4 | 578 |
| D E = Λ V OC |
| Λ : емкость (мАч/г) |
| V OC : потенциал разомкнутой цепи |
Методы осаждения катодных материалов
[ редактировать ]Существуют различные методы нанесения тонкопленочных катодных материалов на токосъемник.
Импульсное лазерное напыление
[ редактировать ]При импульсном лазерном осаждении материалы изготавливаются путем контроля таких параметров, как энергия и плотность энергии лазера, температура подложки, фоновое давление и расстояние между мишенью и подложкой.
Микроволновое напыление
[ редактировать ]При магнетронном распылении подложка охлаждается перед осаждением.
Химическое осаждение из паровой фазы
[ редактировать ]При химическом осаждении из паровой фазы летучие материалы-предшественники осаждаются на материал подложки.
Золь-гель обработка
[ редактировать ]Золь-гель обработка позволяет гомогенно смешивать материалы-прекурсоры на атомном уровне.
Электролит
[ редактировать ]Самая большая разница между классическими литий-ионными батареями и тонкими гибкими литий-ионными батареями заключается в электролита используемом материале . Прогресс в области литий-ионных аккумуляторов во многом зависит от усовершенствований электролита и материалов электродов, поскольку электролит играет важную роль в безопасной эксплуатации аккумуляторов. Концепция тонкопленочных литий-ионных аккумуляторов все больше мотивировалась производственными преимуществами, предоставляемыми полимерной технологией для их использования в качестве электролитов. LiPON, оксинитрид лития-фосфора, представляет собой аморфный стекловидный материал, используемый в качестве электролита в тонкопленочных гибких батареях. Слои LiPON наносятся на материал катода при температуре окружающей среды методом радиочастотного магнетронного распыления. Это образует твердый электролит , используемый для ионной проводимости между анодом и катодом. [ 4 ] [ 5 ] LiBON, оксинитрид лития-бора, представляет собой еще один аморфный стеклообразный материал, используемый в качестве твердого электролита в тонкопленочных гибких батареях. [ 6 ] Твердые полимерные электролиты имеют ряд преимуществ по сравнению с классическими жидкими литий-ионными батареями. Вместо того, чтобы иметь отдельные компоненты электролита, связующего вещества и сепаратора, эти твердые электролиты могут действовать как все три. Это увеличивает общую плотность энергии собранной батареи, поскольку компоненты всей ячейки упакованы более плотно.
Материал сепаратора
[ редактировать ]Материалы сепаратора в литий-ионных батареях не должны блокировать транспорт ионов лития, предотвращая при этом физический контакт материалов анода и катода, например, короткое замыкание. В жидкостном элементе этот сепаратор представляет собой пористое стекло или полимерную сетку, которая позволяет транспортировать ионы через жидкий электролит через поры, но предохраняет электроды от контакта и короткого замыкания. Однако в тонкопленочной батарее электролит представляет собой твердое вещество, которое удобно удовлетворяет требованиям как к транспортировке ионов, так и к физическому разделению без необходимости использования специального сепаратора.
Токосъемник
[ редактировать ]Токосъемники в тонкопленочных батареях должны быть гибкими, иметь большую площадь поверхности и быть экономичными. Было показано, что серебряные нанопроволоки с улучшенной площадью поверхности и весом нагрузки работают в качестве токосъемника в этих аккумуляторных системах, но все же не так эффективны с точки зрения затрат, как хотелось бы. Распространяя графитовую технологию на литий-ионные батареи, пленки из углеродных нанотрубок (УНТ), обработанных раствором, изучаются для использования как в качестве токосъемника, так и в качестве анодного материала. УНТ обладают способностью интеркалировать литий и поддерживать высокое рабочее напряжение, при этом низкая массовая нагрузка и гибкость.
Преимущества и проблемы
[ редактировать ]Тонкопленочные литий-ионные аккумуляторы обеспечивают улучшенные характеристики за счет более высокого среднего выходного напряжения, меньшего веса, а значит, более высокой плотности энергии (в 3 раза), более длительного срока службы (1200 циклов без деградации) и могут работать в более широком диапазоне температур (от - 20 и 60 °C), чем обычные литий-ионные аккумуляторы.
Литий-ионные передающие элементы являются наиболее перспективными системами для удовлетворения потребностей в высокой удельной энергии и высокой мощности, и их производство будет дешевле.
В тонкопленочной литий-ионной батарее оба электрода допускают обратимую вставку лития, образуя, таким образом, литий-ионный переносной элемент. Для создания тонкопленочной батареи необходимо изготовить все компоненты батареи, такие как анод , твердый электролит , катод и токовые выводы, в многослойные тонкие пленки с использованием подходящих технологий.
В системе на основе тонкой пленки электролит обычно представляет собой твердый электролит, способный принимать форму батареи. В этом отличие от классических литий-ионных батарей, которые обычно имеют жидкий электролит. Использование жидких электролитов может оказаться затруднительным, если они несовместимы с сепаратором. Кроме того, жидкие электролиты в целом требуют увеличения общего объема батареи, что не идеально для создания системы с высокой плотностью энергии. Кроме того, в тонкопленочной гибкой литий-ионной батарее электролит, который обычно имеет полимерную основу, может действовать как электролит, сепаратор и связующий материал. проблема утечки электролита Это обеспечивает возможность создания гибких систем, поскольку исключается . Наконец, твердые системы могут быть плотно упакованы, что обеспечивает увеличение плотности энергии по сравнению с классическими жидкими литий-ионными батареями.
Материалы сепаратора в литий-ионных батареях должны обладать способностью транспортировать ионы через пористые мембраны, сохраняя при этом физическое разделение между материалами анода и катода, чтобы предотвратить короткое замыкание. Кроме того, сепаратор должен быть устойчив к деградации в процессе эксплуатации аккумулятора. В тонкопленочном литий-ионном аккумуляторе сепаратор должен представлять собой тонкое и гибкое твердое тело. Обычно сегодня этот материал представляет собой материал на основе полимера. Поскольку тонкопленочные батареи состоят из всех твердых материалов, в этих системах можно использовать более простые сепараторные материалы, такие как ксероксная бумага, а не литий-ионные батареи на жидкой основе.
Научные разработки
[ редактировать ]Разработка тонких твердотельных батарей позволяет осуществлять рулонным способом, производство батарей что позволяет снизить производственные затраты. Твердотельные аккумуляторы также могут обеспечить повышенную плотность энергии за счет уменьшения общего веса устройства, а их гибкая природа позволяет создавать новые конструкции аккумуляторов и упрощает их встраивание в электронику. Все еще необходимы разработки катодных материалов, которые будут противостоять снижению емкости из-за циклического использования.
| Предыдущая технология | Технология замены | Результат |
|---|---|---|
| Электролит на основе раствора | Твердотельный электролит | Повышенная безопасность и срок службы |
| Полимерные сепараторы | Разделитель бумаги | Снижение стоимости Увеличение скорости ионной проводимости |
| Металлические токосъемники | Токосъемники из углеродных нанотрубок | Уменьшен вес устройства, увеличена плотность энергии |
| Графитовый анод | Анод из углеродных нанотрубок | Уменьшение сложности устройства |
Создатели
[ редактировать ]Приложения
[ редактировать ]Достижения, достигнутые в области тонкопленочных литий-ионных аккумуляторов, открыли множество потенциальных применений. Большинство этих приложений направлены на улучшение доступных в настоящее время потребительских и медицинских продуктов. Тонкопленочные литий-ионные аккумуляторы можно использовать для изготовления более тонкой портативной электроники, поскольку толщина аккумулятора, необходимая для работы устройства, может быть значительно уменьшена. Эти батареи могут стать неотъемлемой частью имплантируемых медицинских устройств, таких как дефибрилляторы и нейростимуляторы, «умные» карты, [ 8 ] радиочастотной идентификации метки [ 3 ] и беспроводные датчики. [ 9 ] Они также могут служить способом хранения энергии, собранной с помощью солнечных батарей или других устройств сбора урожая. [ 9 ] Каждое из этих применений возможно благодаря гибкости размера и формы батарей. Размер этих устройств больше не должен зависеть от размера места, необходимого для батареи. Тонкопленочные аккумуляторы можно прикрепить к внутренней части корпуса или другим удобным способом. Существует множество возможностей использования этого типа аккумуляторов.
Устройства хранения возобновляемой энергии
[ редактировать ]Тонкопленочная литий-ионная батарея может служить накопителем энергии, собранной из возобновляемых источников с переменной скоростью генерации, таких как солнечный элемент или ветряная турбина . Эти батареи могут иметь низкую скорость саморазряда, что означает, что эти батареи можно хранить в течение длительных периодов времени без значительной потери энергии, которая использовалась для их зарядки. Эти полностью заряженные батареи затем можно будет использовать для питания некоторых или всех других потенциальных приложений, перечисленных ниже, или для обеспечения более надежного питания электрической сети общего пользования.
Смарт-карты
[ редактировать ]Смарт-карты имеют тот же размер, что и кредитная карта, но содержат микрочип, который можно использовать для доступа к информации, авторизации или обработки заявки. Эти карты могут выдерживать суровые производственные условия с температурой от 130 до 150 °C для завершения процессов ламинирования при высоких температурах и высоком давлении. [ 10 ] Эти условия могут привести к выходу из строя других батарей из-за дегазации или разложения органических компонентов внутри батареи. Было доказано, что тонкопленочные литий-ионные батареи выдерживают температуру от -40 до 150 °C. [ 9 ] Такое использование тонкопленочных литий-ионных батарей дает надежду и на другие применения при экстремальных температурах.
Метки радиочастотной идентификации
[ редактировать ]Метки радиочастотной идентификации можно использовать во многих различных приложениях. Эти теги можно использовать при упаковке, инвентарном контроле, использовать для проверки подлинности и даже разрешать или запрещать доступ к чему-либо. Эти идентификационные метки могут даже иметь другие встроенные датчики, позволяющие контролировать физическую среду, например, температуру или удары во время путешествия или транспортировки. Также расстояние, необходимое для считывания информации в метке, зависит от мощности аккумулятора. Чем дальше вы хотите иметь возможность считывать информацию, тем сильнее должен быть выходной сигнал и, следовательно, тем больше мощность источника питания для достижения этого выходного сигнала. Поскольку эти теги становятся все более и более сложными, требования к батарее должны соответствовать требованиям. Тонкопленочные литий-ионные батареи показали, что они могут вписаться в конструкцию меток благодаря гибкости размера и формы батареи и достаточно мощны для достижения целей метки. Недорогие методы производства этих батарей, такие как ламинирование рулонов, могут даже позволить реализовать технологию радиочастотной идентификации в одноразовых устройствах. [ 3 ]
Имплантируемые медицинские изделия
[ редактировать ]тонкие пленки LiCoO либо слабое , 2 Синтезированы , в которых наиболее сильное отражение рентгеновских лучей либо отсутствует, что указывает на высокую степень преимущественной ориентации. Тонкопленочные твердотельные батареи с текстурированными катодными пленками могут обеспечить практическую емкость при высоких плотностях тока. Например, для одной из ячеек 70% максимальной емкости между 4,2 В и 3 В (приблизительно 0,2 мАч/см 2 ) подавали при токе 2 мА /см. 2 . При циклическом использовании со скоростью 0,1 мА/см 2 потеря мощности составила 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 .
Для имплантируемых медицинских устройств требуются батареи, которые могут обеспечивать стабильный и надежный источник питания как можно дольше. Эти приложения требуют батареи с низкой скоростью саморазряда, когда она не используется, и высокой мощностью, когда ее необходимо использовать, особенно в случае имплантируемого дефибриллятора . Кроме того, пользователям продукта понадобится аккумулятор, способный выдерживать множество циклов, поэтому эти устройства не придется часто заменять или обслуживать. Тонкопленочные литий-ионные аккумуляторы способны удовлетворить этим требованиям. Переход от жидкого к твердому электролиту позволил этим батареям принимать практически любую форму, не опасаясь утечки, и было показано, что некоторые типы тонкопленочных литиевых перезаряжаемых батарей могут работать около 50 000 циклов. [ 11 ] Еще одним преимуществом этих тонкопленочных батарей является то, что их можно соединить последовательно, чтобы обеспечить большее напряжение, равное сумме напряжений отдельных батарей. Этот факт можно использовать для уменьшения «следа» батареи или размера места, необходимого для батареи, при проектировании устройства.
Беспроводные датчики
[ редактировать ]Беспроводные датчики необходимо использовать на протяжении всего срока их применения, будь то при доставке посылок, при обнаружении каких-либо нежелательных соединений или при контроле запасов на складе. Если беспроводной датчик не может передать свои данные из-за низкого заряда батареи или отсутствия заряда батареи, последствия потенциально могут быть серьезными в зависимости от приложения. Кроме того, беспроводной датчик должен быть адаптирован к каждому приложению. Поэтому батарея должна помещаться в спроектированный датчик. Это означает, что желаемая батарея для этих устройств должна быть долговечной, специфичной по размеру, низкой стоимостью, если они будут использоваться в одноразовых технологиях, и должна отвечать требованиям процессов сбора и передачи данных. В очередной раз тонкопленочные литий-ионные аккумуляторы показали способность отвечать всем этим требованиям.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Джонс, Кевин С.; Рудавский, Николас Г.; Оладеджи, Исайя; Питтс, Роланд; Фокс, Ричард (март 2012 г.). «Состояние твердотельных аккумуляторов» (PDF) . Бюллетень Американского керамического общества . 91 (2).
...альтернатива типичным ЛИА на жидкой основе активно разрабатывалась в течение последних 20 лет. В этой альтернативе используется твердотельный электролит, поэтому ее называют твердотельной или тонкопленочной батареей.
- ^ Талин, Алек (10 ноября 2016 г.). «Изготовление, тестирование и моделирование всех твердотельных трехмерных литий-ионных батарей» . Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 8 (47): 32385–32391. дои : 10.1021/acsami.6b12244 . ПМЦ 5526591 . ПМИД 27933836 .
- ^ Перейти обратно: а б с Ху, Л; Ву, Х; Ла Мантия, Ф; Ян, Ю; Куи, Ю (2010). «Тонкие гибкие вторичные литий-ионные бумажные аккумуляторы» (PDF) . АСУ Нано . 4 (10): 5843–5848. дои : 10.1021/nn1018158 . ПМИД 20836501 .
- ^ Джи, Сын Хён; Ли, Ман-Чон; Ан, Хо Санг; Ким, Дон Джу; Чхве, Джи Вон; Юн, Сок Джин; Нам, Санг Чхоль; Ким, Су Хо; Юн, Ён Су (2010). «Характеристики нового типа твердотельного электролита с прослойкой LiPON для литий-ионных тонкопленочных аккумуляторов». Ионика твердого тела . 181 (19–20): 902–906. дои : 10.1016/j.ssi.2010.04.017 .
- ^ «Тонкопленочные литий-ионные аккумуляторы». Отдел полупроводников Национальной лаборатории Ок-Риджа . 1995.
- ^ Сонг, Ю.-З.; Ли, К.-К.; Парк, Х.-Ю. (2016). «Высокоэффективные гибкие твердотельные микробатареи на основе твердого электролита оксинитрида лития-бора». Журнал источников энергии . 328 : 311–317. Бибкод : 2016JPS...328..311S . дои : 10.1016/j.jpowsour.2016.07.114 .
- ^ «Литий-ионные аккумуляторные батареи ламинированного типа» . Мурата Производство . Проверено 11 ноября 2022 г.
- ^ «Твердотельные тонкопленочные литиевые аккумуляторные системы». Твердое тело и материаловедение : 479–482. 2008.
- ^ Перейти обратно: а б с «Тонкопленочные микробатарейки». Интерфейс электрохимического общества . 4 : 44–48. 2008.
- ^ «Смарт-карты» . www.excellatron.com . Архивировано из оригинала 7 декабря 2004 года . Проверено 14 мая 2023 г.
- ^ Патил, Арун; Патил, Вайшали; Ук Шин, Дон; Чхве, Джи-Вон; Пайк, Донг Су; Юн, Сок-Джин (2008). «Проблемы и проблемы, с которыми сталкиваются перезаряжаемые тонкопленочные литиевые батареи». Бюллетень исследования материалов . 43 (8–9): 1913–1942. doi : 10.1016/j.materresbull.2007.08.031 .
