Lithium-Hybrid-Bio-Batterie - Lithium hybrid organic battery
Organische Lithium-Hybridbatterien sind ein Energiespeicher, der Lithium mit einem organischen Polymer kombiniert . Beispielsweise kann Polyanilin- Vanadium (V) -oxid (PAni / V 2 O 5 ) in die Nitroxid-Polymer- Lithium-Eisenphosphat-Batterie PTMA / LiFePO 4 eingebaut werden . Zusammen verbessern sie die Lithiumionen-Interkalationskapazität, die Lebensdauer, die elektrochemischen Leistungen und die Leitfähigkeit von Batterien.
PAni / V2O5
Oxide werden wie V 2 O 5 als Kathoden in wiederaufladbaren Lithiumbatterien verwendet . Kristallines V 2 O 5 hat eine schwächere Wiederaufladbarkeit oder Zyklisierbarkeit als amorphes V 2 O 5, da die Kristallstruktur während Entladungs- / Ladezyklen beschädigt wird. Jedoch amorphe Oxide, insbesondere die V 2 O 5 Xerogel ermöglicht Lithiumionen diffundieren schneller und damit eine bessere Zyklusfähigkeit hat. Hybrid wird durch Kombinieren eines leitenden organischen Polymers (z. B. Polyanilin ) mit einem Oxid (z. B. V 2 O 5 ) gebildet.
V 2 O 5 -Gele werden unter Verwendung des Ionenaustauschverfahrens hergestellt. Vanadium (V) polymerisiert Anilin. Vor der Synthese einer Hybridbatterie wird eine potentiometrische Titration des V 2 O 5 -Gels mit durchgeführt; Dies bestimmt die Menge an V (V), die im Gel vorhanden ist. Anilinlösung wird langsam auf das Gel gegeben. Das folgende Verfahren ist in Abbildung 3 dargestellt.
V 2 O 5 wird aufgrund seiner hohen spezifischen Kapazität, hohen thermischen Stabilität und hohen strukturellen Flexibilität mit Lithium verwendet. Bis zu drei Mol Lithiumionen können in das V 2 O 5 -Gitter gegeben werden, um unterschiedliche Strukturen zu erzeugen. Die entstandenen Strukturen verleihen dem Hybrid eine lange Akkulaufzeit. Die Interkalationskapazität hängt jedoch von der moderaten elektrischen Leitfähigkeit und dem niedrigen Diffusionskoeffizienten der Lithiumionen in der Vanadiumoxidmatrix ab.
Polyanilin wird leicht hergestellt, um kontrollierte strukturelle und elektronische Eigenschaften zu haben. Polyanilin eliminiert das koordinierte Wasser des V 2 O 5 -Xerogels, sodass mehr Lithiumionen in die Struktur integriert werden können. Der organische Teil des PAni / V 2 O 5 -Hybrids wird mit steigender Temperatur abgebaut .
V (V) wird zu V (IV) reduziert und Anilin wird zu Polyanilin oxidiert. Die Reoxidation von V (IV) zu einer höheren Oxidationsstufe von V (V) erhöht die anfängliche Zellspannung und die spezifische Kapazität. Da Polyanilin eine elektrochemisch aktive Komponente ist, verbessert es die spezifische Ladung des Hybridmaterials. Die Kombination von Polyanilin mit V 2 O 5 ergibt eine größere spezifische Ladungsdifferenz. Somit ist ein größerer Gesamtkapazitätsbeitrag als V 2 O 5 allein. Darüber hinaus hat der Hybrid eine höhere spezifische Kapazität als das V 2 O 5 -Xerogel. Die elektrische Leitfähigkeit beträgt 15 Tage lang 0,09 S / cm.
Infolgedessen ist PAni / V 2 O 5 -Hybrid ein leitendes Netzwerk und ein elektroaktives Material in den Verbundwerkstoffen, was das elektrochemische Verhalten verbessert. Es verhindert auch die irreversiblen Strukturänderungen, die durch Redoxzyklen beim Eintritt der Lithiumionen in das Gitter verursacht werden. Darüber hinaus hat dieser Hybrid auch eine hohe spezifische Kapazität und eine verbesserte Zyklisierbarkeit ohne Kapazitätsverschlechterung.
PTMA / LiFePO 4
PTMA ist eine organische Nitroxid Radikal Elektrode -active Polymer und LiFePO 4 ist das anorganische elektrodenaktives Material. PTMA wird verwendet, weil es eine hohe Kapazität und eine lange Lebensdauer hat. Um organische radikalisch-anorganische Hybridelektroden zu synthetisieren, müssen die Elektrodenumgebungen für jede Komponente optimiert werden. PTMA und LiFePO 4 wurden mit der gesamten PTMA- und LiFePO 4- Elektrode mit unterschiedlichen Gewichtsverhältnissen kombiniert : 25/75, 50/50 und 75/25.
Die Zelle unter Verwendung einer Arbeitselektrode hergestellt wurde , eine Halbzellenkonfiguration trocken zu montieren Glove - Box mit Li - Metall als Anode , Ethylcarbonat / Dimethylcarbonat als ein Elektrophil , und ein Celgard 3501 Membran als Separator. Unter Verwendung des Arbin BT-200-Batterietesters wurde die Zelle bei Raumtemperatur elektrochemisch zyklisiert. Durch die Verwendung eines Solarton Workstation, die zyklische Voltammetrie und elektrochemische Impedanzspektroskopie wurden von Zellen durchgeführt. Eine Fokusionenstrahl-Scan - Elektronenmikroskop wurde verwendet , um die Morphologie der Elektroden vor und nach der hohen Rate , um zu bestimmen Impulsentladung (HRPD) cycling.
Nach der Prüfung und reine PTMA LiFePO 4 Elektrode einer scharfe geben Redox - Peak und den Spannungslücke zwischen Oxidation und Reduktion zu verringern. Daher verbessern PTMA und LiFePO 4 die Rate und Reversibilität der Redoxpaare. Darüber hinaus weisen die Hybridkathoden einen geringeren Ladungsübertragungswiderstand auf, was eine leichtere Migration von Li-Ionen durch die Elektrodengrenzfläche ermöglicht. Darüber hinaus hat PTMA / LiFePO 4 einen längeren Lebenszyklus als reine LiFePO 4 - oder PTMA-Systeme.