Čvrsti elektroliti imaju mnoge prednosti u odnosu na tekuće elektroliti. Na primjer, mogu ublažiti deformaciju elektrode tokom punjenja i pražnjenja, poboljšavajući sigurnost. Takođe imaju odličnu stabilnost, lako se obrađuju i rastulitijumdendriti se mogu minimizirati u čvrstim polimernim elektrolitima-bez rastvarača.
Istraživanja polimernih elektrolita počela su još 1973. godine, kada su Fenton et al. otkrili da kompleksi polietilen oksida (PEO) sa alkalnim metalima mogu provoditi ione. Od tada su polimerni elektroliti privukli značajnu pažnju.
Godine 1978, dr. Armand je predvidio da se polimerni elektroliti na bazi PEO-čvrstog stanja-mogu koristiti kao elektroliti za baterije.
Tokom naredne dvije decenije, istraživači su uložili ogromne napore proučavanju mehanizma provodljivosti jona i fizičko-hemijskih svojstava elektrolitske{0}}granice elektrode u bateriji, te su postigli dobar napredak.
Litijum{0}}jonske baterije koje koriste čvrste polimerne elektrolite mogu spriječiti probleme curenja povezanih s tečnim elektrolitima.
Polimeri se lako obrađuju i mogu se minijaturizirati. Zbog svoje visoke plastičnosti, polimeri se također mogu koristiti za izradu tankih{1}}baterija. Različite strukture baterija mogu se proizvesti korištenjem polimernih elektrolita kako bi se zadovoljile različite zahtjeve primjene. Nadalje, polimerni elektroliti nude veću kemijsku, elektrohemijsku i termičku stabilnost u usporedbi s tekućim elektrolitima, sa manje sporednih reakcija s elektrodama i širim rasponom radnih temperatura. Fleksibilnost polimernih elektrolita može ublažiti promjene volumena u elektrodama tokom punjenja i pražnjenja, stabilizirajući strukturu baterije. Stoga, nakon komercijalizacije tečnih-jonskih baterija, tehnologija litijum-ionskih baterija zasnovana na polimernim elektrolitima će se brzo razvijati i postići uspješnu komercijalizaciju.
Postoji mnogo metoda za klasifikaciju polimernih elektrolita, a standardi se razlikuju. Trenutno se elektroliti u čvrstom polimeru uglavnom razlikuju prema vrsti polimera koji se koristi, kao što je najpoznatiji polietilen oksid na bazi polietera (PEO), kao i polimetil metakrilat (PMMA) i poliakrilonitril (PAN). Općenito govoreći, polimerni elektroliti moraju ispuniti sljedeće uslove da bi se praktično koristili u litijum{3}}jonskim baterijama.
Visoka jonska provodljivost
Značajan broj prijenosa litijum{0}jona
Dobra mehanička čvrstoća
Široki elektrohemijski prozor
Odlična hemijska i termička stabilnost
U postojećim sistemima polimernih elektrolita, polimeri pokazuju značajnu kristalnost na sobnoj temperaturi, što objašnjava zašto je provodljivost čvrstih polimernih elektrolita na sobnoj temperaturi mnogo niža od provodljivosti tekućih elektrolita. Većina kristala u polimerima su sferuliti, sa amorfnim područjima između njih. Općenito se vjeruje da se provodljivost litijum- jona prvenstveno javlja u ovim amorfnim područjima.
Stoga je razumijevanje fazne strukture polimera korisno za proučavanje mehanizma provodljivosti litijum{0}}jona.
Za binarne polimerne elektrolitne sisteme, fazna struktura se uglavnom sastoji od dva tipa: kristalne regije i amorfne regije. Formiranje kristalnih regiona je kinetički vođeno i direktno povezano sa specifičnim uslovima pripreme i vremenom. Strogo govoreći, zbog prisustva kristalnih regiona u polimernom sistemu, i značajne varijacije ovih regiona sa različitim uslovima, poređenje provodljivosti različitih tipova polimernih elektrolita nije baš naučno. Međutim, pod određenim uvjetima, ako je rast kristalnih područja spor i odstupanje u ionskoj provodljivosti unutar prihvatljivog raspona, poređenje provodljivosti je prihvatljivo. Zbog toga često upoređujemo različite rezultate.
Pošto rast sferulita u polimeru zavisi od vremena-, jonska provodljivost na temperaturama ispod tačke topljenja polimera takođe zavisi od vremena-. Nadalje, provodljivost litijum-iona polimernih elektrolita povezana je sa brzinom zagrijavanja, brzinom hlađenja i vremenom relaksacije. Na primjer, duže vrijeme relaksacije rezultira potpunijom kristalnom strukturom polimera i višom kristalinom, što dovodi do postepenog smanjenja ionske provodljivosti na minimum s povećanjem vremena relaksacije. Slično, sporija brzina hlađenja rezultira potpunijom kristalizacijom, a odgovarajuća jonska provodljivost će se također postepeno smanjivati na minimum.
Uzimajući za primjer binarni čvrsti polimerni elektrolit PEO i LiCIO4, ova struktura sadrži višestruke fazne strukture. Prvo, LiClO4 i PEO mogu formirati različite komplekse, uključujući PEO6-LiCIO4, PEO3-LiCIO4, PEO2-LiCIO4 i PEO-LiClO4. Među njima, kada je O:Li=10:1, PEO6-LiCIO4 može formirati eutektik sa PEO, sa tačkom topljenja od 50 stepeni. Osim toga, kada se temperatura podigne na 160 stepeni, može se formirati velika eutektika. Tokom procesa hlađenja, veliki eutektik će proizvesti tri različite vrste sferolita: prvi tip se topi iznad 120 stepeni i ima visok sadržaj soli; druga vrsta se topi između 45 i 60 stepeni, ima nizak sadržaj soli i sporo se formira; treći tip ima tačku topljenja nešto nižu od polimera domaćina i formira se brže. Istraživanja i analize sugeriraju da je: prvi tip sferolita vjerovatno PEO3-LiCIO4; drugi tip može biti mješavina kompleksa PEO-LiCIO4 i PEO3-LiCIO4; a treći tip odgovara samom PEO. Nadalje, sadržaj litijeve soli i proces toplinske obrade mogu dovesti do strukturnih promjena.
Polimerni elektroliti su klasa funkcionalnih polimernih materijala visoke ionske provodljivosti, formiranih reakcijama kompleksiranja između polimera i soli metala koristeći polimere kao matricu. U zavisnosti od polimerne matrice, uobičajeni polimerni elektroliti uključuju polimerne elektrolite na bazi PEO-, polimerne elektrolite na bazi PVDE-, polimerne elektrolite na bazi PMMA- i druge. Za razliku od neorganskih čvrstih-elektrolita, polimerni elektroliti su lagani, elastični i stabilni. Kao i neorganski elektroliti u čvrstom stanju, polimerni elektroliti ne samo da provode jone u litijum-ionskim baterijama, već djeluju i kao separatori baterija. Polimerni elektroliti uglavnom imaju sljedeće prednosti:
Može efikasno riješiti problem formiranja litijum dendrita u litijum{0}}ionskim baterijama
Može se dobro prilagoditi deformacijama tokom procesa punjenja i pražnjenja litijum{0}}jonskih baterija
Može smanjiti ili čak eliminirati hemijsku reakciju između elektrolita i materijala elektrode u litijum{0}}ionskim baterijama
Ima visoke sigurnosne performanse
Kompleksi formirani od različitih litijumovih soli (uključujući LBF4, LIPF6, LiCFSO4 i LiASF6) sa PEO su u osnovi slični onima koje formira LiCIO4, što znači da tip litijeve soli nema direktan uticaj na tip kompleksa formiranog sa PEO. Konkretno, LiBF može formirati dva kompleksa sa PEO: PEO4-LIBF i PEO,S-LiBF. Kada je odnos O/Li između 16 i 20, PEO2.5-LIBF4 može formirati eutektik sa PEO. LPF6 takođe može formirati dva kompleksa sa PEO: PEO6-LiPF6 i PEO:-LiPF6. Dva kompleksa formirana od LiASF6 sa PEO su slični kompleksima LiPF6, ali sa relativno višim tačkama topljenja. Velike anjonske litijeve soli također mogu formirati komplekse sa PEO, ali je kinetika mnogo sporija. Nadalje, pritisak u određenoj mjeri utiče i na rast kristala. Viši pritisak pospešuje rast sferulita, smanjuje amorfno područje i, shodno tome, smanjuje provodljivost litijum-jona.