Faste elektrolytter har mange fordele i forhold til flydende elektrolytter. For eksempel kan de afbøde elektrodedeformation under op- og afladning, hvilket forbedrer sikkerheden. De har også fremragende stabilitet, er nemme at bearbejde og vokserlithiumdendritter kan minimeres i-opløsningsmiddelfri faste polymerelektrolytter.
Forskning i polymerelektrolytter begyndte allerede i 1973, da Fenton et al. opdagede, at polyethylenoxid (PEO) komplekser med alkalimetaller kunne lede ioner. Siden da har polymerelektrolytter tiltrukket sig betydelig opmærksomhed.
I 1978 forudsagde Dr. Armand, at PEO-baserede fast-polymerelektrolytter kunne blive brugt som elektrolytter til batterier.
I løbet af de næste to årtier brugte forskerne en enorm indsats på at studere ionledningsmekanismen og de fysisk-kemiske egenskaber af elektrolyt-elektrodegrænsen i batteriet, og de gjorde gode fremskridt.
Lithium-ion-batterier, der anvender faste polymerelektrolytter, kan forhindre lækageproblemer forbundet med flydende elektrolytter.
Polymerer er nemme at behandle og kan miniaturiseres. På grund af deres høje plasticitet kan polymerer også bruges til at skabe tynde-filmbatterier. Forskellige batteristrukturer kan fremstilles ved hjælp af polymerelektrolytter for at opfylde forskellige anvendelseskrav. Ydermere tilbyder polymerelektrolytter højere kemisk, elektrokemisk og termisk stabilitet sammenlignet med flydende elektrolytter, med færre sidereaktioner med elektroderne og et bredere driftstemperaturområde. Fleksibiliteten af polymerelektrolytter kan buffer volumenændringer i elektroderne under opladning og afladning, hvilket stabiliserer batteristrukturen. Derfor, efter kommercialiseringen af flydende-ionbatterier, vil lithium-ionbatteriteknologi baseret på polymerelektrolytter hurtigt udvikle sig og opnå en vellykket kommercialisering.
Der er mange metoder til klassificering af polymerelektrolytter, og standarderne varierer. I øjeblikket skelnes faste polymerelektrolytter hovedsageligt efter den anvendte type polymer, såsom den mest berømte polyether-baserede polyethylenoxid (PEO), såvel som polymethylmethacrylat (PMMA) og polyacrylonitril (PAN). Generelt skal polymerelektrolytter opfylde følgende betingelser for praktisk at kunne bruges i lithium-ionbatterier.
Høj ionisk ledningsevne
Betydeligt lithium-ionoverførselstal
God mekanisk styrke
Bredt elektrokemisk vindue
Fremragende kemisk og termisk stabilitet
I nuværende polymerelektrolytsystemer udviser polymerer betydelig krystallinitet ved stuetemperatur, hvilket forklarer, hvorfor ledningsevnen af faste polymerelektrolytter ved stuetemperatur er meget lavere end for flydende elektrolytter. De fleste krystaller i polymerer er sfærulitter med amorfe områder imellem dem. Det antages generelt, at lithium-ionledning primært forekommer i disse amorfe områder.
Derfor er forståelsen af fasestrukturen af polymerer nyttig til at studere lithium-ionledningsmekanismen.
For binære polymerelektrolytsystemer består fasestrukturen hovedsageligt af to typer: krystallinske områder og amorfe områder. Dannelsen af krystallinske områder er kinetisk drevet og direkte relateret til specifikke fremstillingsbetingelser og tid. På grund af tilstedeværelsen af krystallinske områder i polymersystemet og den betydelige variation af disse regioner med forskellige betingelser er det strengt taget ikke særlig videnskabeligt at sammenligne ledningsevnen af forskellige typer polymerelektrolytter. Men under visse betingelser, hvis væksten af krystallinske områder er langsom, og afvigelsen i ionisk ledningsevne er inden for et acceptabelt område, er sammenligning af ledningsevne acceptabel. Det er derfor, vi ofte sammenligner forskellige resultater.
Da væksten af sfærulitter i polymeren er tids-afhængig, er den ioniske ledningsevne ved temperaturer under polymerens smeltepunkt også tids-afhængig. Ydermere er lithium-ionledningsevnen af polymerelektrolytter relateret til opvarmningshastigheden, afkølingshastigheden og afslapningstiden. For eksempel resulterer en længere relaksationstid i en mere komplet polymer krystalstruktur og højere krystallinitet, hvilket fører til et gradvist fald i ionisk ledningsevne til et minimum med stigende relaksationstid. Tilsvarende resulterer en langsommere afkølingshastighed i mere fuldstændig krystallisation, og den tilsvarende ioniske ledningsevne vil også gradvist falde til et minimum.
Tager man den binære faste polymerelektrolyt af PEO og LiCIO4 som et eksempel, indeholder denne struktur flerfasestrukturer. For det første kan LiClO4 og PEO danne forskellige komplekser, herunder PEO6-LiCIO4, PEO3-LiCIO4, PEO2-LiCIO4 og PEO-LiClO4. Blandt dem, når O:Li=10:1, kan PEO6-LiCIO4 danne et eutektikum med PEO med et smeltepunkt på 50 grader. Derudover, når temperaturen hæves til 160 grader, kan der dannes et stort eutektikum. Under afkølingsprocessen vil den store eutektik producere tre forskellige typer sfærulitter: den første type smelter over 120 grader og har et højt saltindhold; den anden type smelter mellem 45 og 60 grader, har et lavt saltindhold og dannes langsomt; den tredje type har et smeltepunkt lidt lavere end værtspolymeren og dannes hurtigere. Forskning og analyse tyder på, at: den første type spherulite er sandsynligvis PEO3-LiCIO4; den anden type kan være en blanding af PEO-LiCIO4- og PEO3-LiCIO4-komplekser; og den tredje type svarer til selve PEO. Ydermere kan lithiumsaltindholdet og varmebehandlingsprocessen begge føre til strukturelle ændringer.
Polymerelektrolytter er en klasse af funktionelle polymermaterialer med høj ionisk ledningsevne, dannet af kompleksdannelsesreaktioner mellem polymerer og metalsalte ved hjælp af polymerer som matrix. Afhængigt af polymermatrixen omfatter almindelige polymerelektrolytter PEO-baserede polymerelektrolytter, PVDE-baserede polymerelektrolytter, PMMA-baserede polymerelektrolytter og andre. I modsætning til uorganiske faste-elektrolytter er polymerelektrolytter lette, elastiske og stabile. Ligesom uorganiske faste-elektrolytter leder polymerelektrolytter ikke kun ioner i lithium-ionbatterier, men fungerer også som batteriseparatorer. Polymerelektrolytter har hovedsageligt følgende fordele:
Det kan effektivt løse problemet med lithiumdendritdannelse i lithium-ionbatterier
Den kan godt tilpasse sig deformationen under opladning og afladning af lithium-ion-batterier
Det kan reducere eller endda eliminere den kemiske reaktion mellem elektrolytten og elektrodematerialerne i lithium-ionbatterier
Den har høj sikkerhedsydelse
De komplekser, der dannes af forskellige lithiumsalte (inklusive LBF4, LIPF6, LiCFSO4 og LiASF6) med PEO ligner grundlæggende dem, der dannes af LiCIO4, hvilket betyder, at typen af lithiumsalt ikke har nogen direkte indflydelse på typen af kompleks, der dannes med PEO. Specifikt kan LiBF danne to komplekser med PEO: PEO4-LIBF og PEO,S-LiBF. Når O/Li-forholdet er mellem 16 og 20, kan PEO2.5-LIBF4 danne et eutektikum med PEO. LPF6 kan også danne to komplekser med PEO: PEO6-LiPF6 og PEO:-LiPF6. De to komplekser dannet af LiASF6 med PEO ligner dem af LiPF6, men med relativt højere smeltepunkter. Store anion lithiumsalte kan også danne komplekser med PEO, men kinetikken er meget langsommere. Ydermere påvirker trykket også krystalvæksten til en vis grad. Højere tryk fremmer spherulitvækst, reducerer det amorfe område og reducerer tilsvarende lithium-ion-ledningsevnen.