Тонкопленочный литий-ионный аккумулятор является разновидностью твердотельного аккумулятора . [1] Его разработка мотивирована перспективой объединения преимуществ твердотельных аккумуляторов с преимуществами тонкопленочных производственных процессов.
Тонкопленочная конструкция может привести к улучшению удельной энергии , плотности энергии и плотности мощности в дополнение к преимуществам от использования твердого электролита . Это позволяет создавать гибкие ячейки толщиной всего в несколько микрон . [2] Это также может снизить производственные затраты за счет масштабируемой рулонной обработки и даже позволить использовать дешевые материалы. [3]
Литий-ионные батареи хранят химическую энергию в реактивных химикатах на анодах и катодах ячейки. Обычно аноды и катоды обмениваются ионами лития (Li+) через жидкий электролит , который проходит через пористый сепаратор , предотвращающий прямой контакт между анодом и катодом. Такой контакт может привести к внутреннему короткому замыканию и потенциально опасной неконтролируемой реакции. Электрический ток обычно переносится проводящими коллекторами на анодах и катодах к отрицательным и положительным клеммам ячейки и от них (соответственно).
В тонкопленочной литиевой батарее электролит твердый, а остальные компоненты нанесены слоями на подложку . В некоторых конструкциях твердый электролит также служит сепаратором.
Катодные материалы в тонкопленочных литий-ионных аккумуляторах такие же, как и в классических литий-ионных аккумуляторах. Обычно это оксиды металлов, которые наносятся в виде пленки различными методами.
Ниже показаны материалы на основе оксидов металлов , а также их относительные удельные емкости ( Λ ), напряжения холостого хода ( V oc ) и плотности энергии ( DE ).
Для нанесения тонкопленочных катодных материалов на токосъемник используются различные методы.
При импульсном лазерном осаждении материалы изготавливаются путем контроля таких параметров, как энергия и плотность потока лазерного излучения, температура подложки, фоновое давление и расстояние между мишенью и подложкой.
При магнетронном распылении подложка охлаждается для осаждения.
При химическом осаждении из паровой фазы летучие исходные материалы осаждаются на материал подложки.
Золь-гель -обработка позволяет добиться однородного смешивания исходных материалов на атомном уровне.
Наибольшее различие между классическими литий-ионными аккумуляторами и тонкими, гибкими литий-ионными аккумуляторами заключается в используемом электролитном материале. Прогресс в литий-ионных аккумуляторах зависит как от усовершенствований электролита, так и от усовершенствований материалов электродов, поскольку электролит играет важную роль в безопасной работе аккумулятора. Концепция тонкопленочных литий-ионных аккумуляторов все больше мотивировалась производственными преимуществами, предоставляемыми полимерной технологией для их использования в качестве электролитов. LiPON, литий фосфор оксинитрид, представляет собой аморфный стекловидный материал, используемый в качестве электролитного материала в тонкопленочных гибких аккумуляторах. Слои LiPON осаждаются на катодный материал при температуре окружающей среды с помощью магнетронного распыления ВЧ. Это образует твердый электролит, используемый для ионной проводимости между анодом и катодом. [4] [5] LiBON, литий бор оксинитрид, представляет собой еще один аморфный стекловидный материал, используемый в качестве твердого электролитного материала в тонкопленочных гибких аккумуляторах. [6] Твердые полимерные электролиты обладают рядом преимуществ по сравнению с классическими жидкими литий-ионными аккумуляторами. Вместо того, чтобы иметь отдельные компоненты электролита, связующего вещества и сепаратора, эти твердые электролиты могут действовать как все три. Это увеличивает общую плотность энергии собранной батареи, поскольку компоненты всей ячейки упакованы более плотно.
Материалы сепаратора в литий-ионных аккумуляторах не должны блокировать транспорт ионов лития, одновременно предотвращая физический контакт материалов анода и катода, например, короткое замыкание. В жидкостном элементе этот сепаратор будет представлять собой пористую стеклянную или полимерную сетку, которая позволяет транспортировать ионы через жидкий электролит через поры, но удерживает электроды от контакта и короткого замыкания. Однако в тонкопленочной батарее электролит является твердым веществом, что удобно удовлетворяет как требованиям по транспортировке ионов, так и требованиям физического разделения без необходимости в специальном сепараторе.
Токосъемники в тонкопленочных батареях должны быть гибкими, иметь большую площадь поверхности и быть экономически эффективными. Серебряные нанопроволоки с улучшенной площадью поверхности и весом нагрузки, как было показано, работают как токосъемники в этих аккумуляторных системах, но все еще не так экономически эффективны, как хотелось бы. Распространяя графитовую технологию на литий-ионные батареи, пленки из обработанных раствором углеродных нанотрубок (УНТ) рассматриваются для использования как в качестве токосъемника, так и в качестве анодного материала. УНТ обладают способностью интеркалировать литий и поддерживать высокие рабочие напряжения, и все это с низкой массой нагрузки и гибкостью.
Тонкопленочные литий-ионные аккумуляторы обеспечивают улучшенную производительность за счет более высокого среднего выходного напряжения, меньшего веса, а значит, более высокой плотности энергии (в 3 раза), более длительного срока службы (1200 циклов без ухудшения характеристик) и могут работать в более широком диапазоне температур (от -20 до 60 °C), чем обычные перезаряжаемые литий-ионные аккумуляторы.
Литий-ионные элементы питания являются наиболее перспективными системами для удовлетворения спроса на высокую удельную энергию и большую мощность, и их производство будет более дешевым.
В тонкопленочной литий-ионной батарее оба электрода способны к обратимой вставке лития, образуя таким образом ячейку переноса литий-ионов. Для того чтобы построить тонкопленочную батарею, необходимо изготовить все компоненты батареи, такие как анод , твердый электролит , катод и токоподводы, в многослойные тонкие пленки с помощью подходящих технологий.
В тонкопленочной системе электролит обычно представляет собой твердый электролит, способный принимать форму батареи. Это контрастирует с классическими литий-ионными батареями, которые обычно имеют жидкий электролитный материал. Жидкие электролиты могут быть сложными в использовании, если они несовместимы с сепаратором. Кроме того, жидкие электролиты в целом требуют увеличения общего объема батареи, что не идеально для проектирования системы с высокой плотностью энергии. Кроме того, в тонкопленочной гибкой литий-ионной батарее электролит, который обычно основан на полимере , может выступать в качестве электролита, сепаратора и связующего материала. Это дает возможность иметь гибкие системы, поскольку проблема утечки электролита обходит стороной. Наконец, твердые системы могут быть плотно упакованы вместе, что обеспечивает увеличение плотности энергии по сравнению с классическими жидкими литий-ионными батареями.
Материалы сепаратора в литий-ионных аккумуляторах должны иметь возможность переносить ионы через пористые мембраны, сохраняя при этом физическое разделение между анодным и катодным материалами, чтобы предотвратить короткое замыкание. Кроме того, сепаратор должен быть устойчив к деградации во время работы аккумулятора. В тонкопленочном литий-ионном аккумуляторе сепаратор должен быть тонким и гибким твердым телом. Обычно сегодня этот материал представляет собой материал на основе полимера. Поскольку тонкопленочные аккумуляторы изготавливаются из всех твердых материалов, это позволяет использовать в этих системах более простые материалы сепаратора, такие как бумага Xerox, а не в жидких литий-ионных аккумуляторах.
Разработка тонких твердотельных батарей позволяет производить батареи методом рулон-в-рулон , чтобы снизить производственные затраты. Твердотельные батареи также могут позволить увеличить плотность энергии за счет снижения общего веса устройства, в то время как гибкая природа позволяет создавать новые конструкции батарей и облегчает их встраивание в электронику. Все еще требуются разработки в области катодных материалов, которые будут противостоять снижению емкости из-за циклирования.
Достижения, достигнутые в тонкопленочных литий-ионных аккумуляторах, открыли множество потенциальных применений. Большинство из этих применений направлены на улучшение имеющихся в настоящее время потребительских и медицинских продуктов. Тонкопленочные литий-ионные аккумуляторы могут использоваться для создания более тонкой портативной электроники, поскольку толщина аккумулятора, необходимая для работы устройства, может быть значительно уменьшена. Эти аккумуляторы могут быть неотъемлемой частью имплантируемых медицинских устройств, таких как дефибрилляторы и нейростимуляторы, «умные» карты, [8] радиочастотные идентификационные метки [3] и беспроводные датчики. [9] Они также могут служить способом хранения энергии, собранной с солнечных батарей или других устройств сбора энергии. [9] Каждое из этих применений возможно благодаря гибкости размера и формы аккумуляторов. Размер этих устройств больше не должен вращаться вокруг размера пространства, необходимого для аккумулятора. Тонкопленочные аккумуляторы можно прикрепить к внутренней части корпуса или каким-либо другим удобным способом. Существует много возможностей для использования этого типа аккумуляторов.
Тонкопленочный литий-ионный аккумулятор может служить в качестве накопителя энергии, собранной из возобновляемых источников с переменной скоростью генерации, таких как солнечный элемент или ветряная турбина . Эти аккумуляторы могут быть сделаны с низкой скоростью саморазряда, что означает, что эти аккумуляторы могут храниться в течение длительного времени без значительной потери энергии, которая была использована для их зарядки. Эти полностью заряженные аккумуляторы затем могут использоваться для питания некоторых или всех других потенциальных приложений, перечисленных ниже, или обеспечивать более надежное питание для электрической сети общего пользования.
Смарт-карты имеют тот же размер, что и кредитная карта, но они содержат микрочип, который может использоваться для доступа к информации, предоставления авторизации или обработки заявки. Эти карты могут подвергаться жестким производственным условиям с температурами в диапазоне от 130 до 150 °C, чтобы завершить высокотемпературные процессы ламинирования под высоким давлением. [10] Эти условия могут привести к выходу из строя других батарей из-за дегазации или деградации органических компонентов внутри батареи. Было показано, что тонкопленочные литий-ионные батареи выдерживают температуры от -40 до 150 °C. [9] Такое использование тонкопленочных литий-ионных батарей является многообещающим для других экстремальных температурных применений.
Радиочастотные идентификационные метки могут использоваться во многих различных приложениях. Эти метки могут использоваться при упаковке, инвентаризации, использоваться для проверки подлинности и даже разрешать или запрещать доступ к чему-либо. Эти идентификационные метки могут даже иметь другие встроенные датчики, позволяющие контролировать физическую среду, например температуру или удар во время путешествия или доставки. Кроме того, расстояние, необходимое для считывания информации с метки, зависит от мощности батареи. Чем дальше вы хотите иметь возможность считывать информацию, тем сильнее должен быть выход и, следовательно, тем больше должен быть источник питания для достижения этого выхода. Поскольку эти метки становятся все более сложными, требования к батареям должны будут соответствовать. Тонкопленочные литий-ионные батареи показали, что они могут вписываться в конструкции меток из-за гибкости батареи по размеру и форме и достаточно мощны для достижения целей метки. Низкозатратные методы производства, такие как рулонное ламинирование, этих батарей могут даже позволить реализовать этот вид технологии радиочастотной идентификации в одноразовых приложениях. [3]
Были синтезированы тонкие пленки LiCoO 2 , в которых самое сильное отражение рентгеновских лучей либо слабое, либо отсутствует, что указывает на высокую степень предпочтительной ориентации. Тонкопленочные твердотельные батареи с этими текстурированными катодными пленками могут обеспечивать практические емкости при высоких плотностях тока. Например, для одной из ячеек 70% максимальной емкости между 4,2 В и 3 В (приблизительно 0,2 мАч/см 2 ) было обеспечено током 2 мА /см 2 . При циклировании со скоростью 0,1 мА/см 2 потеря емкости составила 0,001%/цикл или меньше. Надежность и производительность тонкопленочных батарей Li LiCoO 2 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. Эти приложения требуют батареи с низкой скоростью саморазряда, когда она не используется, и высокой скоростью питания, когда ее необходимо использовать, особенно в случае имплантируемого дефибриллятора . Кроме того, пользователи продукта захотят батарею, которая может выдерживать много циклов, поэтому эти устройства не придется часто заменять или обслуживать. Тонкопленочные литий-ионные батареи способны удовлетворять этим требованиям. Переход от жидкого к твердому электролиту позволил этим батареям принимать практически любую форму, не беспокоясь о протечке, и было показано, что некоторые типы тонкопленочных перезаряжаемых литиевых батарей могут работать около 50 000 циклов. [11] Еще одним преимуществом этих тонкопленочных батарей является то, что их можно располагать последовательно, чтобы выдавать большее напряжение, равное сумме напряжений отдельных батарей. Этот факт можно использовать для уменьшения «площади» батареи или размера пространства, необходимого для батареи, при проектировании устройства.
Беспроводные датчики должны использоваться в течение всего срока их применения, будь то транспортировка посылок, обнаружение нежелательного соединения или контроль запасов на складе. Если беспроводной датчик не может передавать данные из-за низкого или нулевого заряда батареи, последствия могут быть потенциально серьезными в зависимости от применения. Кроме того, беспроводной датчик должен быть адаптируемым к каждому применению. Поэтому батарея должна быть в состоянии поместиться в разработанный датчик. Это означает, что желаемая батарея для этих устройств должна быть долговечной, иметь определенный размер, быть недорогой, если они будут использоваться в одноразовых технологиях, и должна соответствовать требованиям процессов сбора и передачи данных. И снова тонкопленочные литий-ионные батареи продемонстрировали способность соответствовать всем этим требованиям.
...альтернатива типичным жидкостным LIB активно разрабатывалась в течение последних 20 лет. Эта альтернатива использует твердотельный электролит и, таким образом, называется твердотельной или тонкопленочной батареей.