Qattiq elektrolitlar suyuq elektrolitlarga nisbatan juda ko'p afzalliklarga ega. Masalan, ular zaryadlash va tushirish vaqtida elektrod deformatsiyasini yumshatib, xavfsizlikni yaxshilaydi. Ular, shuningdek, mukammal barqarorlikka ega, ishlov berish oson va o'sadilitiydendritlarni erituvchisiz{0}}qattiq polimer elektrolitlarida minimallashtirish mumkin.
Polimer elektrolitlari bo'yicha tadqiqotlar 1973 yilda, Fenton va boshq. ishqoriy metallar bilan polietilen oksidi (PEO) komplekslari ionlarni o'tkazishi mumkinligini aniqladi. O'shandan beri polimer elektrolitlari katta e'tiborni tortdi.
1978 yilda doktor Armand PEO{2}}asosidagi qattiq{3}}polimer elektrolitlari batareyalar uchun elektrolitlar sifatida ishlatilishi mumkinligini bashorat qilgan.
Keyingi yigirma yil ichida tadqiqotchilar akkumulyatordagi elektrolitlar{0}}elektrod chegarasining ion o‘tkazuvchanlik mexanizmi va fizik-kimyoviy xususiyatlarini o‘rganishga katta kuch sarfladilar va yaxshi yutuqlarga erishdilar.
Qattiq polimer elektrolitlardan foydalanadigan lityum{0}}ionli batareyalar suyuq elektrolitlar bilan bog'liq oqish muammolarini oldini oladi.
Polimerlarni qayta ishlash oson va ularni miniatyura qilish mumkin. Yuqori plastikligi tufayli polimerlar yupqa-plenkali akkumulyatorlarni yaratish uchun ham ishlatilishi mumkin. Turli xil qo'llash talablariga javob beradigan polimer elektrolitlari yordamida turli xil batareya tuzilmalari ishlab chiqarilishi mumkin. Bundan tashqari, polimer elektrolitlar suyuq elektrolitlarga nisbatan yuqori kimyoviy, elektrokimyoviy va termal barqarorlikni ta'minlaydi, elektrodlar bilan kamroq yon reaktsiyalar va kengroq ish harorati oralig'i bilan. Polimer elektrolitlarining moslashuvchanligi zaryadlash va tushirish vaqtida elektrodlardagi hajm o'zgarishlarini tamponlab, batareyaning tuzilishini barqarorlashtirishi mumkin. Shu sababli, suyuq{6}}ionli batareyalar tijoratlashtirilgandan so'ng, polimer elektrolitlar asosidagi litiy{7}}ionli batareyalar texnologiyasi tez rivojlanadi va muvaffaqiyatli tijoratlashtirishga erishadi.
Polimer elektrolitlarini tasniflashning ko'plab usullari mavjud va standartlar turlicha. Hozirgi vaqtda qattiq polimer elektrolitlari asosan ishlatiladigan polimer turiga ko'ra farqlanadi, masalan, eng mashhur polieter{1}}asosli polietilen oksidi (PEO), shuningdek, polimetil metakrilat (PMMA) va poliakrilonitril (PAN). Umuman olganda, polimer elektrolitlar litiy-ionli batareyalarda amalda qo‘llanilishi uchun quyidagi shartlarga javob berishi kerak.
Yuqori ion o'tkazuvchanligi
Ajoyib litiy{0}}ion uzatish raqami
Yaxshi mexanik kuch
Keng elektrokimyoviy oyna
Ajoyib kimyoviy va termal barqarorlik
Hozirgi polimer elektrolitlar tizimlarida polimerlar xona haroratida sezilarli kristallik ko'rsatadi, bu nima uchun qattiq polimer elektrolitlarining xona haroratida o'tkazuvchanligi suyuq elektrolitlarga qaraganda ancha past ekanligini tushuntiradi. Polimerlarning aksariyat kristallari sferulitlar bo'lib, ular orasida amorf hududlar mavjud. Odatda litiy{2}}ionining oʻtkazuvchanligi asosan shu amorf hududlarda sodir boʻladi, deb ishoniladi.
Shuning uchun polimerlarning fazaviy tuzilishini tushunish litiy{0}}ionini o‘tkazish mexanizmini o‘rganishda yordam beradi.
Ikkilik polimer elektrolitlar tizimlari uchun faza tuzilishi asosan ikki turdan iborat: kristalli hududlar va amorf hududlar. Kristalli hududlarning shakllanishi kinetik jihatdan boshqariladi va maxsus tayyorgarlik shartlari va vaqti bilan bevosita bog'liq. To'g'ridan-to'g'ri aytganda, polimer tizimida kristalli hududlar mavjudligi va bu hududlarning turli sharoitlarda sezilarli darajada o'zgarishi sababli, har xil turdagi polimer elektrolitlarining o'tkazuvchanligini taqqoslash unchalik ilmiy emas. Biroq, ma'lum sharoitlarda, kristalli hududlarning o'sishi sekin bo'lsa va ion o'tkazuvchanligining og'ishi maqbul diapazonda bo'lsa, o'tkazuvchanlikni taqqoslash mumkin. Shuning uchun biz ko'pincha turli natijalarni taqqoslaymiz.
Polimerda sferulitlarning o'sishi vaqtga-bog'liq bo'lgani uchun polimerning erish nuqtasidan past haroratlarda ion o'tkazuvchanligi ham vaqtga-bog'liqdir. Bundan tashqari, polimer elektrolitlarining litiy{3}}ion o'tkazuvchanligi isitish tezligi, sovutish tezligi va bo'shashish vaqti bilan bog'liq. Masalan, uzoqroq bo'shashish vaqti to'liqroq polimer kristalli tuzilishiga va yuqori kristallanishga olib keladi, bu esa bo'shashish vaqtining oshishi bilan ion o'tkazuvchanligining asta-sekin kamayishiga olib keladi. Xuddi shunday, sekinroq sovutish tezligi to'liq kristallanishga olib keladi va mos keladigan ion o'tkazuvchanligi ham asta-sekin minimal darajaga tushadi.
Misol sifatida PEO va LiCIO4 ning ikkilik qattiq polimer elektrolitini oladigan bo'lsak, bu struktura bir nechta fazali tuzilmalarni o'z ichiga oladi. Birinchidan, LiClO4 va PEO PEO6-LiCIO4, PEO3-LiCIO4, PEO2-LiCIO4 va PEO-LiClO4 kabi turli komplekslarni hosil qilishi mumkin. Ular orasida O:Li=10:1 bo'lganda, PEO6-LiCIO4 PEO bilan evtektika hosil qilishi mumkin, erish nuqtasi 50 daraja. Bundan tashqari, harorat 160 darajaga ko'tarilganda, katta evtektika hosil bo'lishi mumkin. Sovutish jarayonida katta evtektika uch xil turdagi sferulitlarni hosil qiladi: birinchi turdagi 120 darajadan yuqori eriydi va yuqori tuz tarkibiga ega; ikkinchi turi 45 dan 60 darajagacha eriydi, tuz miqdori kam va sekin shakllanadi; uchinchi turning erish nuqtasi mezbon polimerdan bir oz pastroq va tezroq hosil bo'ladi. Tadqiqotlar va tahlillar shuni ko'rsatadiki: sferulitning birinchi turi, ehtimol, PEO3-LiCIO4; ikkinchi turdagi PEO-LiCIO4 va PEO3-LiCIO4 komplekslarining aralashmasi bo'lishi mumkin; uchinchi tur esa PEO ning o'ziga mos keladi. Bundan tashqari, lityum tuzi tarkibi va issiqlik bilan ishlov berish jarayoni ham tarkibiy o'zgarishlarga olib kelishi mumkin.
Polimer elektrolitlari polimerlar va matritsa sifatida polimerlardan foydalangan holda metall tuzlari o'rtasidagi kompleks reaktsiyalar natijasida hosil bo'lgan yuqori ion o'tkazuvchanligiga ega bo'lgan funktsional polimer materiallari sinfidir. Polimer matritsasiga qarab, umumiy polimer elektrolitlariga PEO-asosidagi polimer elektrolitlari, PVDE-asosidagi polimer elektrolitlari, PMMA-asosidagi polimer elektrolitlari va boshqalar kiradi. Noorganik qattiq elektrolitlardan farqli-polimer elektrolitlar engil, elastik va barqarordir. Noorganik qattiq elektrolitlar singari, polimer elektrolitlar ham litiy ionli akkumulyatorlarda ionlarni o'tkazibgina qolmay,-batareyani ajratuvchi vazifasini ham bajaradi. Polimer elektrolitlar asosan quyidagi afzalliklarga ega:
U lityum{0}}ionli batareyalarda litiy dendrit hosil boʻlishi muammosini samarali hal qilishi mumkin.
U litiy{0}}ionli batareyalarni zaryadlash va tushirish jarayonida deformatsiyaga yaxshi moslasha oladi.
U litiy{0}}ionli batareyalardagi elektrolitlar va elektrodlar oʻrtasidagi kimyoviy reaksiyani kamaytirishi yoki hatto yoʻq qilishi mumkin.
U yuqori xavfsizlik ko'rsatkichlariga ega
PEO bilan turli xil lityum tuzlari (jumladan, LBF4, LIPF6, LiCFSO4 va LiASF6) tomonidan hosil qilingan komplekslar asosan LiCIO4 tomonidan hosil qilinganlarga o'xshaydi, ya'ni lityum tuzining turi PEO bilan hosil bo'lgan kompleks turiga bevosita ta'sir qilmaydi. Xususan, LiBF PEO bilan ikkita kompleks hosil qilishi mumkin: PEO4-LIBF va PEO,S-LiBF. O/Li nisbati 16 dan 20 gacha bo'lsa, PEO2.5-LIBF4 PEO bilan evtektika hosil qilishi mumkin. LPF6 PEO bilan ikkita kompleks hosil qilishi mumkin: PEO6-LiPF6 va PEO:-LiPF6. LiASF6 tomonidan PEO bilan hosil qilingan ikkita kompleks LiPF6 ga o'xshash, ammo nisbatan yuqori erish nuqtalariga ega. Katta anion litiy tuzlari ham PEO bilan komplekslar hosil qilishi mumkin, ammo kinetikasi ancha sekinroq. Bundan tashqari, bosim kristall o'sishiga ma'lum darajada ta'sir qiladi. Yuqori bosim sferulit o'sishiga yordam beradi, amorf hududni kamaytiradi va shunga mos ravishda lityum-ion o'tkazuvchanligini pasaytiradi.