Тонкопленочный литий-ионный аккумулятор - Thin film lithium-ion battery
В тонкопленочный литий-ионный аккумулятор это форма твердотельный аккумулятор.[1] Его развитие мотивировано перспективой объединения преимущества твердотельных батарей с преимуществами тонкая пленка процессы изготовления.
Тонкопленочная конструкция может улучшить удельная энергия, плотность энергии, и удельная мощность помимо выгод от использования твердый электролит. Он позволяет гибких ячеек всего несколько микроны толстый.[2] Это также может снизить производственные затраты от масштабируемый рулонная обработка и даже позволяют использовать дешевые материалы.[3]
Фон
Литий-ионные аккумуляторы хранить химическая энергия в реактивных химикатах на аноды и катоды ячейки. Обычно аноды и катоды обмениваются ионами лития (Li +) через жидкость. электролит что проходит через пористую разделитель что предотвращает прямой контакт между анодом и катодом. Такой контакт привел бы к внутреннему короткое замыкание и потенциально опасная неконтролируемая реакция. Электрический ток обычно переносится токопроводящим коллекционеры на анодах и катодах к отрицательной и положительной клеммам ячейки и от них (соответственно).
В тонкопленочной литиевой батарее электролит твердый, а другие компоненты нанесены слоями на субстрат. В некоторых конструкциях твердый электролит также служит разделителем.
Компоненты тонкопленочной батареи
Катодные материалы
Катод материалы в тонкопленочных литий-ионных батареях такие же, как и в классических литий-ионных батареях. Обычно это оксиды металлов, которые осаждают в виде пленки различными способами.
Ниже показаны металлооксидные материалы, а также их относительная удельная емкость (Λ), напряжения холостого хода (Vок) и плотности энергии (DE).
| Λ(Ач / кг) | VOC(V) | DE(Втч / кг) | |
|---|---|---|---|
| LiCoO2 | 145 | 4 | 580 |
| LiMn2О4 | 148 | 4 | 592 |
| LiFePO4 | 170 | 3.4 | 578 |
| DE = Λ VOC |
| Λ: емкость (мАч / г) |
| VOC: Потенциал холостого хода |
Методы осаждения катодных материалов
Существуют различные методы нанесения тонкопленочных катодных материалов на токосъемник.
Импульсное лазерное напыление (PLD)
В Импульсное лазерное напыление материалы изготавливаются путем управления такими параметрами, как энергия и плотность энергии лазера, температура подложки, фоновое давление и расстояние между мишенью и подложкой.
Магнетронное распыление
В Магнетронное распыление подложку охлаждают для осаждения.
Химическое осаждение из паровой фазы (CVD)
В Химическое осаждение из паровой фазы летучие материалы-предшественники наносятся на материал подложки.
Золь-гель обработка
Золь-гель обработка позволяет гомогенно смешивать материалы-прекурсоры на атомарном уровне.
Электролит
Наибольшая разница между классическими литий-ионными батареями и тонкими гибкими литий-ионными батареями заключается в электролит использованный материал. Прогресс в литий-ионные батареи полагается на улучшение электролита так же, как и на материалы электродов, поскольку электролит играет важную роль в безопасной эксплуатации батареи. Концепция тонкопленочных ионно-литиевых батарей все больше и больше мотивировалась производственными преимуществами, которые представляла полимерная технология для их использования в качестве электролитов. LiPON, оксинитрид лития-фосфора, представляет собой аморфный стеклообразный материал, используемый в качестве материала электролита в тонкопленочных гибких батареях. Слои LiPON наносятся на катодный материал при температуре окружающей среды с помощью высокочастотного магнетронного распыления. Это формирует твердый электролит используется 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 обладают рядом преимуществ по сравнению с классическими жидкими ионно-литиевыми батареями. 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, поскольку составляющие всего элемента более плотно упакованы.
Материал сепаратора
Сепараторные материалы в литий-ионных батареях не должны блокировать транспортировку ионов лития, одновременно предотвращая физический контакт материалов анода и катода, например короткое замыкание. В жидкостной ячейке этот сепаратор будет представлять собой пористую стеклянную или полимерную сетку, которая позволяет переносить ионы через жидкий электролит через поры, но предохраняет электроды от контакта и короткого замыкания. Однако в тонкопленочной батарее электролит является твердым веществом, что удобно как для транспортировки ионов, так и для физического разделения без необходимости в специальном сепараторе.
Текущий коллектор
Токосъемники в тонкопленочных батареях должны быть гибкими, иметь большую площадь поверхности и быть экономичными. Серебряные нанопроволоки с улучшенной площадью поверхности и нагрузочной массой, как было показано, работают как токоприемник в этих аккумуляторных системах, но все же не так рентабельны, как хотелось бы. Распространение графитовой технологии на литий-ионные батареи, обработанные на растворе углеродные нанотрубки Пленки (УНТ) рассматриваются как материал для токосъемника и анода. УНТ обладают способностью интеркалировать литий и поддерживать высокое рабочее напряжение при небольшой массовой нагрузке и гибкости.
Преимущества и проблемы
Тонкопленочные ионно-литиевые батареи обеспечивают улучшенные характеристики благодаря более высокому среднему выходному напряжению, меньшему весу, следовательно, большему плотность энергии (3x) и дольше велосипедная жизнь (1200 циклов без ухудшения характеристик) и могут работать в более широком диапазоне температур (от -20 до 60 ° C), чем обычные литий-ионные аккумуляторные батареи.
Литий-ионные аккумуляторные батареи являются наиболее многообещающими системами для удовлетворения потребности в высокой удельной энергии и мощности, и их производство будет дешевле.
В тонкопленочной литий-ионной батарее оба электроды способны к обратимому введению лития, образуя литий-ионную передаточную ячейку. Чтобы построить тонкопленочную батарею, необходимо изготовить все компоненты батареи, как анод, твердый электролит, а катод и токоподводы в многослойные тонкие пленки подходящими технологиями.
В системе на основе тонких пленок электролит обычно представляет собой твердый электролит, способный принимать форму батареи. В этом отличие от классических литий-ионных батарей, которые обычно содержат жидкий электролит. Жидкие электролиты трудно использовать, если они несовместимы с сепаратором. Также жидкие электролиты обычно 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 полимер на основе, может действовать как электролит, разделитель и связующий материал. Это дает возможность иметь гибкие системы, поскольку устраняется проблема утечки электролита. Наконец, твердые системы могут быть плотно упакованы, что дает увеличение плотности энергии по сравнению с классическими жидкостными ионно-литиевыми батареями.
Разделительные материалы в литий-ионных батареях должны обладать способностью переносить ионы через свои пористые мембраны, сохраняя при этом физическое разделение между материалами анода и катода, чтобы предотвратить короткое замыкание. Кроме того, сепаратор должен быть устойчивым к разрушению во время работы аккумулятора. В тонкопленочной литий-ионной батарее разделитель должен быть тонким и гибким. Обычно сегодня этот материал представляет собой материал на полимерной основе. Поскольку тонкопленочные батареи изготовлены из всех твердых материалов, это позволяет использовать в этих системах более простые разделительные материалы, такие как бумага Xerox, а не в литий-ионных батареях на жидкой основе.
Научное развитие
Разработка тонких твердотельных батарей позволяет катиться, чтобы катиться тип производства аккумуляторов для снижения производственных затрат. Твердотельные батареи может также обеспечить повышенную плотность энергии за счет уменьшения общего веса устройства, в то время как гибкий характер позволяет использовать новую конструкцию батареи и более легкую интеграцию в электронику. Развитие все еще требуется в катод материалы, которые будут сопротивляться снижению производительности из-за цикличности.
| Предыдущие технологии | Технология замены | Результат |
|---|---|---|
| Электролит на основе раствора | Твердотельный электролит | Повышенная безопасность и срок службы |
| Полимерные сепараторы | Разделитель бумаги | Снижена стоимость, увеличена скорость ионной проводимости. |
| Металлические токоприемники | Токосъемники из углеродных нанотрубок | Уменьшенный вес устройства, повышенная плотность энергии |
| Графитовый анод | Анод из углеродных нанотрубок | Сниженная сложность устройства |
Производители
Приложения
Усовершенствования, внесенные в тонкопленочные литий-ионные батареи, позволили найти множество потенциальных применений. Большинство этих приложений нацелены на улучшение имеющихся в настоящее время потребительских и медицинских товаров. Тонкопленочные ионно-литиевые батареи могут использоваться для изготовления более тонких портативных электронных устройств, поскольку толщина батареи, необходимая для работы устройства, может быть значительно уменьшена. Эти батареи могут быть неотъемлемой частью имплантируемых медицинских устройств, таких как дефибрилляторы и нейростимуляторы, «умные» карты,[7] определение радиочастоты, или RFID, метки[3] и беспроводные датчики.[8] Они также могут служить способом хранения энергии, полученной от солнечных батарей или других устройств сбора урожая.[8] Каждое из этих применений возможно благодаря гибкости размеров 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. Есть много возможностей использовать этот тип батарей.
Устройства хранения возобновляемой энергии
Тонкопленочный ионно-литиевый аккумулятор может служить в качестве накопителя энергии, собираемой из возобновляемых источников с переменной скоростью генерации, таких как солнечная батарея или же ветряная турбина. Эти батареи могут быть изготовлены с низкой скоростью саморазряда, что означает, что эти батареи могут храниться в течение длительных периодов времени без большой потери энергии, которая использовалась для их зарядки. Эти полностью заряженные батареи можно затем использовать для питания некоторых или всех других потенциальных приложений, перечисленных ниже, или для обеспечения более надежного питания электрической сети для общего использования.
Смарт-карты
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 подвергаться суровым производственным условиям с температурой в диапазоне от 130 до 150 ° C, чтобы завершить процессы ламинирования при высокой температуре и высоком давлении.[9] Эти условия могут привести к выходу других батарей из строя из-за дегазации или разложения органических компонентов внутри батареи. Было доказано, что тонкопленочные ионно-литиевые батареи выдерживают температуры от -40 до 150 ° C.[8] Такое использование тонкопленочных литий-ионных батарей позволяет надеяться на применение в других экстремальных температурах.
RFID-метки
Определение радиочастоты (RFID) метки можно использовать во многих различных приложениях. Эти теги могут использоваться для упаковки, управления запасами, для проверки подлинности и даже для разрешения или запрета доступа 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. Кроме того, расстояние, необходимое для чтения информации на бирке, зависит от уровня заряда батареи. Чем дальше вы хотите иметь возможность читать информацию, тем сильнее должен быть выходной сигнал и, следовательно, тем больше будет источник питания для выполнения этого вывода. По мере того, как эти теги становятся все более и более сложными, требования к батарее должны соответствовать требованиям. Тонкопленочные ионно-литиевые батареи показали, что они могут вписаться в конструкцию меток благодаря гибкости батареи по размеру и форме и достаточно мощны, чтобы выполнять задачи метки. Низкозатратные методы производства таких батарей, такие как ламинирование рулонами, могут даже позволить реализовать этот вид технологии RFID в одноразовых приложениях.[3]
Имплантируемые медицинские устройства
Тонкие пленки из LiCoO2 были синтезированы наиболее сильные рентгеновский снимок отражение либо слабое, либо отсутствует, что указывает на высокую степень предпочтительной ориентации. Тонкая пленка твердое состояние батареи с этими текстурированный катод пленки могут обеспечивать практическую емкость при высоких плотностях тока. Например, для одной из ячеек 70% максимальной емкости между 4,2 В и 3 В (примерно 0,2 мАч / см2) был доставлен при токе 2 мА /см2. При циклировании со скоростью 0,1 мА / см2потеря емкости составила 0,001% / цикл или меньше. Надежность и производительность Li LiCoO2 тонкопленочные батареи делают их привлекательными для применения в имплантируемых устройствах, таких как нейростимуляторы, кардиостимуляторы, и дефибрилляторы.
Имплантируемым медицинским устройствам требуются батареи, которые могут обеспечивать стабильный и надежный источник питания как можно дольше. Для этих приложений требуется батарея с низкой скоростью саморазряда, когда она не используется, и высокой мощностью, когда ее нужно использовать, особенно в случае имплантируемого дефибриллятор. Кроме того, пользователям продукта понадобится аккумулятор, способный выдержать много циклов, поэтому эти устройства не придется часто заменять или обслуживать. Этим требованиям удовлетворяют тонкопленочные литий-ионные аккумуляторы. Переход от жидкого к твердому электролиту позволил этим батареям принимать практически любую форму, не беспокоясь о протечке, и было показано, что определенные типы тонкопленочных перезаряжаемых литиевых батарей могут работать около 50 000 циклов.[10] Еще одно преимущество этих тонкопленочных батарей состоит в том, что их можно размещать в серии дать больший Напряжение равна сумме индивидуальных напряжений батареи. Этот факт можно использовать для уменьшения «занимаемой площади» аккумулятора или размера пространства, необходимого для аккумулятора, при разработке устройства.
Беспроводные датчики
Беспроводные датчики должны использоваться на протяжении всего срока их применения, будь то доставка упаковки, обнаружение нежелательных соединений или контроль запасов на складе. Если беспроводной датчик не может передавать свои данные из-за низкого заряда аккумулятора или его отсутствия, последствия могут быть серьезными в зависимости от приложения. Кроме того, беспроводной датчик должен быть адаптирован для каждого приложения. Следовательно, батарея должна соответствовать разработанному датчику. Это означает, что желаемая батарея для этих устройств должна быть долговечной, соответствующей размеру, низкой стоимостью, если они будут использоваться в одноразовых технологиях, и должна отвечать требованиям процессов сбора и передачи данных. И снова тонкопленочные ионно-литиевые батареи продемонстрировали способность удовлетворять всем этим требованиям.
Смотрите также
Рекомендации
- ^ Джонс, Кевин С .; Рудавский, Николай Г .; Оладеджи, Исайя; Питтс, Роланд; Фокс, Ричард. «Состояние твердотельных батарей» (PDF). Бюллетень Американского керамического общества. 91 (2).
... альтернатива типичным LIB на жидкой основе активно использовалась в течение последних 20 лет. В этой альтернативе используется твердотельный электролит, поэтому она называется твердотельной или тонкопленочной батареей.
- ^ Талин, Алек (10 ноября 2016 г.). «Изготовление, тестирование и моделирование всех твердотельных трехмерных литий-ионных аккумуляторов». Прикладные материалы и интерфейсы ACS. 8 (47).
- ^ а б c Hu, L; Wu, H; La Mantia, F; Ян, Y; Цуй, Y (2010). «Тонкие, гибкие вторичные литий-ионные бумажные батареи» (PDF). САУ Нано. 4 (10): 5843–5848. Дои:10.1021 / nn1018158. PMID 20836501.
- ^ Джи, Сын Хён; Ли, Ман-Джонг; Ан, Хо Санг; Ким, Дон Чжу; Чой, Джи Вон; Юн, Сок Джин; Нам, Санг Чхоль; Ким, Су Хо; Юн, Ён Су (2010). «Характеристики нового типа твердотельного электролита с прослойкой LiPON для тонкопленочных литий-ионных аккумуляторов». Ионика твердого тела. 181 (19–20): 902–906. Дои:10.1016 / j.ssi.2010.04.017.
- ^ «Тонкопленочные литий-ионные аккумуляторы». Твердотельное отделение Национальной лаборатории Ок-Ридж. 1995.
- ^ Песня, С.-З .; Ли, К.-С .; Парк, Х.-Й. (2016). «Высокопроизводительные гибкие твердотельные микробатареи на основе твердого электролита оксинитрида лития-бора». Журнал источников энергии. 328: 311–317. Дои:10.1016 / j.jpowsour.2016.07.114.
- ^ «Системы твердотельных тонкопленочных литиевых батарей». Твердое тело и материаловедение: 479–482. 2008.
- ^ а б c «Тонкопленочные микробатареи». Интерфейс электрохимического общества. 4: 44–48. 2008.
- ^ "http://www.excellatron.com/smartcards.htm". Excellatron. Получено 12 ноя 2010. Внешняя ссылка в
| название =(помощь) - ^ Патил, Арун; Патил, Вайшали; Ук Шин, Донг; Чой, Джи-Вон; Пайк, Донг-Су; Юн, Сок-Джин (2008). «Проблема и проблемы, с которыми сталкиваются перезаряжаемые тонкопленочные литиевые батареи». Бюллетень материаловедения. 43 (8–9): 1913–1942. Дои:10.1016 / j.materresbull.2007.08.031.
