Cienkowarstwowy akumulator litowo-jonowy
Cienkowarstwowa bateria litowo-jonowa jest formą baterii półprzewodnikowej . Jej rozwój jest motywowany perspektywą połączenia zalet akumulatorów półprzewodnikowych z zaletami procesów wytwarzania cienkowarstwowych .
Konstrukcja cienkowarstwowa może prowadzić do poprawy energii właściwej , gęstości energii i gęstości mocy oprócz korzyści wynikających z zastosowania stałego elektrolitu . Pozwala na uzyskanie elastycznych komórek o grubości zaledwie kilku mikronów . Może również obniżyć koszty produkcji dzięki skalowalnemu przetwarzaniu z rolki na rolkę , a nawet pozwolić na użycie tanich materiałów.
Tło
Akumulatory litowo-jonowe przechowują energię chemiczną w reaktywnych chemikaliach na anodach i katodach ogniwa. Zazwyczaj anody i katody wymieniają jony litu (Li+) przez płynny elektrolit , który przechodzi przez porowaty separator , który zapobiega bezpośredniemu kontaktowi między anodą i katodą. Taki kontakt doprowadziłby do wewnętrznego zwarcia i potencjalnie niebezpiecznej niekontrolowanej reakcji. Prąd elektryczny jest zwykle przenoszony przez przewodzące kolektory na anodach i katodach do i od ujemnych i dodatnich zacisków ogniwa (odpowiednio).
W cienkowarstwowej baterii litowej elektrolit jest stały, a pozostałe składniki są osadzane warstwami na podłożu . W niektórych konstrukcjach stały elektrolit służy również jako separator.
Składniki baterii cienkowarstwowej
Materiały katodowe
katodowe w cienkowarstwowych bateriach litowo-jonowych są takie same jak w klasycznych bateriach litowo-jonowych. Zwykle są to tlenki metali, które są osadzane w postaci filmu różnymi metodami.
Voc poniżej , jak również ich względne pojemności właściwe ( Λ ), napięcia w obwodzie otwartym ( ) i gęstości energii ( DE ) .
| Λ (Ah/kg) | VOC ( V) | DE ( Wh/kg) | |
|---|---|---|---|
| LiCoO 2 | 145 | 4 | 580 |
| LiMn 2 O 4 | 148 | 4 | 592 |
| LiFePO 4 | 170 | 3.4 | 578 |
| D E = Λ V OC |
| Λ : pojemność (mAh/g) |
| V OC : potencjał obwodu otwartego |
Metody osadzania materiałów katodowych
Istnieją różne metody osadzania cienkowarstwowych materiałów katodowych na kolektorze prądu.
Impulsowe osadzanie laserowe (PLD)
W procesie pulsacyjnego osadzania laserowego materiały są wytwarzane poprzez kontrolowanie parametrów, takich jak energia i fluencja lasera, temperatura podłoża, ciśnienie tła i odległość między podłożem docelowym.
Rozpylanie magnetronowe
W rozpylaniu magnetronowym podłoże jest schładzane w celu osadzania.
Chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD)
W chemicznym osadzeniu z fazy gazowej lotne materiały prekursorowe są osadzane na materiale podłoża.
Przetwarzanie zol-żel
zol-żel umożliwia jednorodne mieszanie materiałów prekursorowych na poziomie atomowym.
Elektrolit
Największa różnica między klasycznymi akumulatorami litowo-jonowymi a cienkimi, elastycznymi akumulatorami litowo-jonowymi polega na zastosowanym materiale elektrolitycznym . Postęp w akumulatorach litowo-jonowych opiera się zarówno na ulepszeniach elektrolitu, jak i materiałów elektrod, ponieważ elektrolit odgrywa główną rolę w bezpiecznej pracy baterii. Koncepcja cienkowarstwowych akumulatorów litowo-jonowych była w coraz większym stopniu motywowana korzyściami produkcyjnymi wynikającymi z technologii polimerowej do ich stosowania jako elektrolitów. LiPON, tlenoazotek litowo-fosforowy, jest amorficznym szklistym materiałem stosowanym jako materiał elektrolityczny w elastycznych bateriach cienkowarstwowych. Warstwy LiPON są osadzane na materiale katody w temperaturze otoczenia przez rozpylanie magnetronowe RF. Tworzy to stały elektrolit używany do przewodnictwa jonów między anodą a katodą. LiBON, tlenoazotek litowo-borowy, to kolejny amorficzny szklisty materiał stosowany jako stały materiał elektrolityczny w elastycznych bateriach cienkowarstwowych. Stałe elektrolity polimerowe mają kilka zalet w porównaniu z klasycznymi ciekłymi akumulatorami litowo-jonowymi. Zamiast oddzielnych składników elektrolitu, spoiwa i separatora, te stałe elektrolity mogą działać jak wszystkie trzy. Zwiększa to ogólną gęstość energii zmontowanej baterii, ponieważ składniki całego ogniwa są ściślej upakowane.
Materiał separatora
Materiały oddzielające w akumulatorach litowo-jonowych nie mogą blokować transportu jonów litu, jednocześnie uniemożliwiając fizyczny kontakt materiałów anody i katody, np. zwarcie. W ogniwie płynnym separatorem byłaby porowata szklana lub polimerowa siatka, która umożliwia transport jonów przez ciekły elektrolit przez pory, ale zapobiega kontaktowi i zwarciu elektrod. Jednak w akumulatorze cienkowarstwowym elektrolit jest ciałem stałym, co dogodnie spełnia zarówno wymagania dotyczące transportu jonów, jak i fizycznej separacji bez potrzeby stosowania dedykowanego separatora.
Obecny kolektor
Kolektory prądu w bateriach cienkowarstwowych muszą być elastyczne, mieć dużą powierzchnię i być opłacalne. Wykazano, że srebrne nanoprzewody o zwiększonej powierzchni i ciężarze ładunku działają jako kolektory prądu w tych systemach baterii, ale nadal nie są tak opłacalne, jak oczekiwano. bada się folie z nanorurek węglowych przetwarzanych w roztworze (CNT) do wykorzystania zarówno jako kolektor prądu, jak i materiał anodowy. CNT mają zdolność interkalacji litu i utrzymywania wysokich napięć roboczych, a wszystko to przy niskim obciążeniu masowym i elastyczności.
Zalety i wyzwania
Cienkowarstwowe akumulatory litowo-jonowe zapewniają lepszą wydajność dzięki wyższemu średniemu napięciu wyjściowemu, mniejszej wadze, a tym samym większej gęstości energii (3x) i dłuższemu cyklowi pracy (1200 cykli bez degradacji) oraz mogą pracować w szerszym zakresie temperatur (od -20 do 60°C) niż typowe akumulatory litowo-jonowe.
Ogniwa transferowe litowo-jonowe są najbardziej obiecującymi systemami zaspokajającymi zapotrzebowanie na wysoką energię właściwą i dużą moc, a ich produkcja byłaby tańsza.
W cienkowarstwowym akumulatorze litowo-jonowym obie elektrody są zdolne do odwracalnego wstawiania litu, tworząc w ten sposób ogniwo transferowe litowo-jonowe. Aby skonstruować baterię cienkowarstwową, konieczne jest wykonanie wszystkich elementów baterii, takich jak anoda , stały elektrolit , katoda i prąd doprowadzający do wielowarstwowych cienkich warstw za pomocą odpowiednich technologii.
W systemie opartym na cienkiej warstwie elektrolit jest zwykle elektrolitem stałym, zdolnym do dostosowania się do kształtu akumulatora. Kontrastuje to z klasycznymi akumulatorami litowo-jonowymi, które zwykle zawierają ciekły elektrolit. Ciekłe elektrolity mogą być trudne do wykorzystania, jeśli nie są kompatybilne z separatorem. Również ciekłe elektrolity ogólnie wymagają zwiększenia całkowitej objętości akumulatora, co nie jest idealne do projektowania systemu o dużej gęstości energii. Dodatkowo w cienkowarstwowym elastycznym akumulatorze litowo-jonowym elektrolit, którym zwykle jest polimer na bazie, może działać jako elektrolit, separator i materiał wiążący. Zapewnia to możliwość posiadania elastycznych systemów, ponieważ omija się problem wycieku elektrolitu. Wreszcie, stałe systemy mogą być ciasno upakowane, co zapewnia wzrost gęstości energii w porównaniu z klasycznymi ciekłymi bateriami litowo-jonowymi.
Materiały oddzielające w akumulatorach litowo-jonowych muszą mieć zdolność przenoszenia jonów przez ich porowate membrany, przy jednoczesnym zachowaniu fizycznej separacji między materiałami anody i katody, aby zapobiec zwarciom. Ponadto separator musi być odporny na degradację podczas eksploatacji akumulatora. W cienkowarstwowym akumulatorze litowo-jonowym separator musi być cienkim i elastycznym ciałem stałym. Zazwyczaj dzisiaj materiał ten jest materiałem na bazie polimeru. Ponieważ akumulatory cienkowarstwowe są wykonane ze wszystkich materiałów stałych, w tych systemach można stosować prostsze materiały oddzielające, takie jak papier kserograficzny, zamiast akumulatorów litowo-jonowych na bazie cieczy.
Rozwój naukowy
Rozwój cienkich akumulatorów półprzewodnikowych umożliwia produkcję akumulatorów typu „roll to roll” w celu obniżenia kosztów produkcji. Baterie półprzewodnikowe mogą również pozwolić sobie na zwiększoną gęstość energii ze względu na zmniejszenie całkowitej masy urządzenia, podczas gdy elastyczny charakter pozwala na nowatorski projekt baterii i łatwiejsze włączenie do elektroniki. Nadal potrzebne są prace rozwojowe w katodowych , które będą odporne na zmniejszenie pojemności spowodowane cyklami.
| Wcześniejsza technologia | Technologia wymiany | Wynik |
|---|---|---|
| Elektrolit na bazie roztworu | Elektrolit w stanie stałym | Zwiększone bezpieczeństwo i cykl życia |
| Separatory polimerowe | Separator papieru | Zmniejszony koszt, zwiększona szybkość przewodzenia jonów |
| Metalowe kolektory prądu | Kolektory prądu z nanorurek węglowych | Zmniejszona waga urządzenia, zwiększona gęstość energii |
| Anoda grafitowa | Anoda z nanorurek węglowych | Zmniejszona złożoność urządzenia |
Twórcy
Aplikacje
Postępy dokonane w cienkowarstwowej baterii litowo-jonowej pozwoliły na wiele potencjalnych zastosowań. Większość z tych aplikacji ma na celu ulepszenie obecnie dostępnych produktów konsumenckich i medycznych. Cienkowarstwowe baterie litowo-jonowe mogą być używane do produkcji cieńszych przenośnych urządzeń elektronicznych, ponieważ grubość baterii wymaganej do działania urządzenia może zostać znacznie zmniejszona. Baterie te mogą stanowić integralną część wszczepialnych urządzeń medycznych, takich jak defibrylatory i stymulatory nerwowe, „inteligentne” karty, identyfikacja radiowa lub RFID, znaczniki i czujniki bezprzewodowe. Mogą również służyć jako sposób na magazynowanie energii zebranej z ogniw słonecznych lub innych urządzeń zbierających. Każde z tych zastosowań jest możliwe dzięki elastyczności rozmiaru i kształtu akumulatorów. Rozmiar tych urządzeń nie musi już kręcić się wokół wielkości miejsca potrzebnego na baterię. Baterie cienkowarstwowe można przymocować do wnętrza obudowy lub w inny wygodny sposób. Możliwości wykorzystania tego typu akumulatorów jest wiele.
Urządzenia do magazynowania energii odnawialnej
Cienkowarstwowy akumulator litowo-jonowy może służyć jako magazyn energii pozyskiwanej ze źródeł odnawialnych o zmiennej wydajności, takich jak ogniwo słoneczne czy turbina wiatrowa . Baterie te mogą mieć niski współczynnik samorozładowania, co oznacza, że mogą być przechowywane przez długi czas bez większej utraty energii, która została użyta do ich naładowania. Te w pełni naładowane akumulatory można następnie wykorzystać do zasilania niektórych lub wszystkich innych potencjalnych zastosowań wymienionych poniżej lub zapewnić bardziej niezawodne zasilanie sieci elektrycznej do ogólnego użytku.
Karty inteligentne
Karty inteligentne mają taki sam rozmiar jak karta kredytowa, ale zawierają mikroczip, którego można używać do uzyskiwania dostępu do informacji, udzielania autoryzacji lub przetwarzania wniosku. Karty te mogą przechodzić przez trudne warunki produkcji, w temperaturach w zakresie od 130 do 150 ° C, aby zakończyć procesy laminowania w wysokiej temperaturze i pod wysokim ciśnieniem. Warunki te mogą spowodować awarię innych akumulatorów z powodu odgazowania lub degradacji składników organicznych w akumulatorze. Wykazano, że cienkowarstwowe akumulatory litowo-jonowe wytrzymują temperatury od -40 do 150°C. To zastosowanie cienkowarstwowych akumulatorów litowo-jonowych daje nadzieję na inne zastosowania w ekstremalnych temperaturach.
znaczniki RFID
Identyfikacja częstotliwości radiowej Tagi (RFID) mogą być wykorzystywane w wielu różnych zastosowaniach. Tagi te mogą być używane w pakowaniu, kontroli zapasów, używane do weryfikacji autentyczności, a nawet zezwalania lub odmawiania dostępu do czegoś. Te identyfikatory mogą mieć nawet inne zintegrowane czujniki umożliwiające monitorowanie środowiska fizycznego, takiego jak temperatura lub wstrząsy podczas podróży lub transportu. Również odległość wymagana do odczytania informacji na etykiecie zależy od mocy baterii. Im dalej chcesz mieć możliwość odczytania informacji, tym mocniejsze będzie wyjście, a tym samym większe zasilanie, aby osiągnąć to wyjście. Ponieważ tagi te stają się coraz bardziej złożone, wymagania dotyczące baterii będą musiały nadążać. Cienkowarstwowe baterie litowo-jonowe wykazały, że mogą pasować do projektów przywieszek ze względu na elastyczność baterii pod względem rozmiaru i kształtu oraz są wystarczająco mocne, aby osiągnąć cele przywieszki. Niskobudżetowe metody produkcji, takie jak laminowanie z rolki na rolkę, tych baterii mogą nawet pozwolić na wdrożenie tego rodzaju technologii RFID w zastosowaniach jednorazowego użytku.
Wszczepialne wyroby medyczne
Zsyntetyzowano cienkie warstwy LiCoO co 2 , w których najsilniejsze odbicie promieniowania rentgenowskiego jest albo słabe, albo go nie ma, wskazuje na wysoki stopień preferowanej orientacji. Cienkowarstwowe półprzewodnikowe z teksturowanymi warstwami katodowymi mogą zapewniać praktyczne pojemności przy dużych gęstościach prądu. Na przykład, dla jednego z ogniw 70% maksymalnej pojemności między 4,2 V a 3 V (około 0,2 mAh/cm2 ) zostało dostarczone przy prądzie 2 mA / cm2 . Podczas cykli z szybkością 0,1 mA/cm 2 , utrata wydajności wynosiła 0,001%/cykl lub mniej. Niezawodność i wydajność cienkowarstwowych baterii Li LiCoO 2 czynią je atrakcyjnymi do stosowania w urządzeniach wszczepialnych, takich jak stymulatory nerwowe, rozruszniki serca i defibrylatory .
Wszczepialne urządzenia medyczne wymagają baterii, które mogą zapewnić stabilne, niezawodne źródło zasilania tak długo, jak to możliwe. Te zastosowania wymagają akumulatora o niskim współczynniku samorozładowania, gdy nie jest używany, oraz o dużej mocy, gdy trzeba go użyć, zwłaszcza w przypadku wszczepialnego defibrylatora . Ponadto użytkownicy produktu będą chcieli baterii, która wytrzyma wiele cykli, więc urządzenia te nie będą musiały być często wymieniane ani serwisowane. Cienkowarstwowe akumulatory litowo-jonowe są w stanie spełnić te wymagania. Przejście od elektrolitu ciekłego do stałego umożliwiło tym akumulatorom przybieranie niemal dowolnego kształtu bez obawy o wyciek, a wykazano, że niektóre rodzaje cienkowarstwowych akumulatorów litowych mogą wytrzymać około 50 000 cykli. Kolejną zaletą tych baterii cienkowarstwowych jest to, że można je układać serii , aby uzyskać większe napięcie równe sumie napięć poszczególnych akumulatorów. Fakt ten można wykorzystać do zmniejszenia „śladu” baterii lub wielkości miejsca potrzebnego na baterię w projekcie urządzenia.
Czujniki bezprzewodowe
Czujniki bezprzewodowe muszą być używane przez cały czas ich stosowania, niezależnie od tego, czy chodzi o wysyłkę paczek, wykrywanie niepożądanego związku, czy też kontrolowanie zapasów w magazynie. Jeśli czujnik bezprzewodowy nie może przesyłać danych z powodu niskiego poziomu naładowania baterii lub jej braku, konsekwencje mogą być potencjalnie poważne w zależności od aplikacji. Ponadto czujnik bezprzewodowy musi być dostosowany do każdej aplikacji. Dlatego bateria musi być w stanie zmieścić się w zaprojektowanym czujniku. Oznacza to, że pożądana bateria do tych urządzeń musi być długowieczna, dopasowana do rozmiaru, tania, jeśli mają być stosowane w technologiach jednorazowego użytku oraz musi spełniać wymagania procesów zbierania i przesyłania danych. Po raz kolejny cienkowarstwowe akumulatory litowo-jonowe wykazały zdolność do spełnienia wszystkich tych wymagań.
