Elektrolitët e ngurtë kanë shumë përparësi ndaj elektroliteve të lëngëta. Për shembull, ato mund të zbusin deformimin e elektrodës gjatë karikimit dhe shkarkimit, duke përmirësuar sigurinë. Ata gjithashtu kanë qëndrueshmëri të shkëlqyer, janë të lehta për t'u përpunuar dhe rritenlitiumdendritet mund të minimizohen në elektrolite polimerësh të ngurtë pa tretës-.
Hulumtimi mbi elektrolitet polimer filloi qysh në vitin 1973, kur Fenton et al. zbuloi se komplekset e oksidit të polietilenit (PEO) me metale alkali mund të përçojnë jone. Që atëherë, elektrolitet polimer kanë tërhequr vëmendje të konsiderueshme.
Në vitin 1978, Dr. Armand parashikoi që elektrolitet polimer në gjendje të ngurtë- me bazë PEO-mund të përdoren si elektrolite për bateritë.
Gjatë dy dekadave të ardhshme, studiuesit i kushtuan përpjekje të jashtëzakonshme studimit të mekanizmit të përcjelljes së joneve dhe vetive fiziko-kimike të kufirit të elektrolitit-elektrodit në bateri dhe bënë përparim të mirë.
Bateritë litium-jonike që përdorin elektrolite të ngurtë polimer mund të parandalojnë problemet e rrjedhjes që lidhen me elektrolitet e lëngëta.
Polimerët janë të lehtë për t'u përpunuar dhe mund të miniaturizohen. Për shkak të plasticitetit të tyre të lartë, polimeret mund të përdoren gjithashtu për të krijuar bateri me film- të hollë. Struktura të ndryshme baterish mund të fabrikohen duke përdorur elektrolite polimer për të përmbushur kërkesat e ndryshme të aplikimit. Për më tepër, elektrolitet polimer ofrojnë stabilitet më të lartë kimik, elektrokimik dhe termik në krahasim me elektrolitët e lëngshëm, me më pak reagime anësore me elektrodat dhe një gamë më të gjerë të temperaturës së funksionimit. Fleksibiliteti i elektroliteve polimer mund të pengojë ndryshimet e volumit në elektroda gjatë ngarkimit dhe shkarkimit, duke stabilizuar strukturën e baterisë. Prandaj, pas komercializimit të-baterive jonike të lëngshme, teknologjia e baterive me jon-litiumi e bazuar në elektrolitet polimer do të zhvillohet me shpejtësi dhe do të arrijë komercializim të suksesshëm.
Ka shumë metoda për klasifikimin e elektroliteve polimer, dhe standardet ndryshojnë. Aktualisht, elektrolitet e ngurta të polimerit dallohen kryesisht sipas llojit të polimerit të përdorur, si p.sh. polietileni oksidi më i famshëm me bazë polieteri{{1} (PEO), si dhe metakrilat polimetil (PMMA) dhe poliakrilonitrili (PAN). Në përgjithësi, elektrolitet e polimerit duhet të plotësojnë kushtet e mëposhtme për t'u përdorur praktikisht në bateritë litium-jonike.
Përçueshmëri e lartë jonike
Numër i konsiderueshëm i transferimit të joneve të litium-
Forca e mirë mekanike
Dritare e gjerë elektrokimike
Stabilitet i shkëlqyer kimik dhe termik
Në sistemet aktuale të elektrolitit polimer, polimerët shfaqin kristalinitet të konsiderueshëm në temperaturën e dhomës, gjë që shpjegon pse përçueshmëria e elektroliteve të ngurtë polimer në temperaturën e dhomës është shumë më e ulët se ajo e elektroliteve të lëngëta. Shumica e kristaleve në polimere janë sferulite, me rajone amorfe ndërmjet tyre. Në përgjithësi besohet se përçimi i joneve të litium- ndodh kryesisht në këto rajone amorfe.
Prandaj, kuptimi i strukturës fazore të polimereve është i dobishëm për studimin e mekanizmit të përcjelljes së joneve të litium-.
Për sistemet binar të elektrolitit polimer, struktura fazore përbëhet kryesisht nga dy lloje: rajone kristalore dhe rajone amorfe. Formimi i rajoneve kristalore nxitet në mënyrë kinetike dhe lidhet drejtpërdrejt me kushtet dhe kohën specifike të përgatitjes. Në mënyrë të rreptë, për shkak të pranisë së rajoneve kristalore në sistemin polimer dhe ndryshimit të konsiderueshëm të këtyre rajoneve me kushte të ndryshme, krahasimi i përçueshmërisë së llojeve të ndryshme të elektroliteve polimer nuk është shumë shkencor. Megjithatë, në kushte të caktuara, nëse rritja e rajoneve kristalore është e ngadaltë dhe devijimi në përçueshmërinë jonike është brenda një intervali të pranueshëm, krahasimi i përçueshmërisë është i pranueshëm. Kjo është arsyeja pse ne shpesh krahasojmë rezultate të ndryshme.
Meqenëse rritja e sferuliteve në polimer varet nga koha-, përçueshmëria jonike në temperaturat nën pikën e shkrirjes së polimerit varet gjithashtu nga koha-. Për më tepër, përçueshmëria e joneve litium- e elektroliteve të polimerit lidhet me shpejtësinë e ngrohjes, shkallën e ftohjes dhe kohën e relaksimit. Për shembull, një kohë më e gjatë relaksimi rezulton në një strukturë kristalore më të plotë polimer dhe kristalinitet më të lartë, duke çuar në një ulje graduale të përçueshmërisë jonike në minimum me rritjen e kohës së relaksimit. Në mënyrë të ngjashme, një shpejtësi më e ngadaltë e ftohjes rezulton në kristalizimin më të plotë dhe përçueshmëria jonike përkatëse gjithashtu gradualisht do të ulet në minimum.
Duke marrë si shembull elektrolitin binar të polimerit të ngurtë të PEO dhe LiCIO4, kjo strukturë përmban struktura të shumëfishta fazore. Së pari, LiClO4 dhe PEO mund të formojnë komplekse të ndryshme, duke përfshirë PEO6-LiCIO4, PEO3-LiCIO4, PEO2-LiCIO4 dhe PEO-LiClO4. Midis tyre, kur O:Li=10:1, PEO6-LiCIO4 mund të formojë një eutektikë me PEO, me një pikë shkrirjeje 50 gradë. Përveç kësaj, kur temperatura ngrihet në 160 gradë, mund të formohet një eutektikë e madhe. Gjatë procesit të ftohjes, eutektika e madhe do të prodhojë tre lloje të ndryshme sferulitësh: lloji i parë shkrihet mbi 120 gradë dhe ka një përmbajtje të lartë kripe; Lloji i dytë shkrihet midis 45 dhe 60 gradë, ka një përmbajtje të ulët kripe dhe formohet ngadalë; lloji i tretë ka një pikë shkrirje pak më të ulët se polimeri pritës dhe formohet më shpejt. Hulumtimet dhe analizat sugjerojnë se: lloji i parë i sferulitit ka të ngjarë të jetë PEO3-LiCIO4; lloji i dytë mund të jetë një përzierje e komplekseve PEO-LiCIO4 dhe PEO3-LiCIO4; dhe lloji i tretë i përgjigjet vetë PEO. Për më tepër, përmbajtja e kripës së litiumit dhe procesi i trajtimit të nxehtësisë mund të çojnë në ndryshime strukturore.
Elektrolitet polimer janë një klasë e materialeve polimer funksionale me përçueshmëri të lartë jonike, të formuara nga reaksionet e kompleksimit midis polimereve dhe kripërave metalike duke përdorur polimeret si matricë. Në varësi të matricës së polimerit, elektrolitet e zakonshme të polimerit përfshijnë elektrolitet polimer me bazë PEO-elektrolitet polimer me bazë PVDE-elektrolitet polimer me bazë PMMA-dhe të tjerë. Ndryshe nga elektrolitet në gjendje-në gjendje të ngurtë inorganike, elektrolitet polimer janë të lehta, elastike dhe të qëndrueshme. Ashtu si elektrolitet në gjendje të ngurtë inorganike-, elektrolitet e polimerit jo vetëm që përçojnë jonet në bateritë jonike të litiumit-, por gjithashtu veprojnë si ndarës të baterive. Elektrolitet polimer kryesisht kanë përparësitë e mëposhtme:
Mund të zgjidhë në mënyrë efektive problemin e formimit të dendritit të litiumit në bateritë litium-jonike
Mund të përshtatet mirë me deformimin gjatë procesit të karikimit dhe shkarkimit të baterive të litiumit-
Mund të zvogëlojë ose madje eliminojë reaksionin kimik midis elektrolitit dhe materialeve të elektrodës në bateritë e litiumit-
Ka performancë të lartë sigurie
Komplekset e formuara nga kripëra të ndryshme të litiumit (përfshirë LBF4, LIPF6, LiCFSO4 dhe LiASF6) me PEO janë në thelb të ngjashme me ato të formuara nga LiCIO4, që do të thotë se lloji i kripës së litiumit nuk ka ndikim të drejtpërdrejtë në llojin e kompleksit të formuar me PEO. Në mënyrë të veçantë, LiBF mund të formojë dy komplekse me PEO: PEO4-LIBF dhe PEO,S-LiBF. Kur raporti O/Li është midis 16 dhe 20, PEO2.5-LIBF4 mund të formojë një eutektikë me PEO. LPF6 gjithashtu mund të formojë dy komplekse me PEO: PEO6-LiPF6 dhe PEO:-LiPF6. Dy komplekset e formuara nga LiASF6 me PEO janë të ngjashme me ato të LiPF6, por me pika shkrirjeje relativisht më të larta. Kripërat e mëdha të litiumit të anionit gjithashtu mund të formojnë komplekse me PEO, por kinetika është shumë më e ngadaltë. Për më tepër, presioni gjithashtu ndikon në rritjen e kristaleve në një farë mase. Presioni më i lartë nxit rritjen e sferulitit, zvogëlon rajonin amorf dhe në përputhje me rrethanat zvogëlon përçueshmërinë litium-jon.