Čo znamená elektrolyt lítium-iónovej batérie?

◆Čo sú vodné elektrolyty?

◆Úvod do tuhých elektrolytov

Elektrolyt, nenahraditeľná zložkalítium{0}}iónové batériehrá kľúčovú úlohu v cykloch-vybíjania batérie.

Nie je zodpovedný len za efektívny transport lítiových iónov a vedenie prúdu, ale má aj elektronické izolačné vlastnosti, ktoré účinne bránia priamemu toku elektrónov medzi kladnými a zápornými elektródami. Obrazne povedané, elektrolyt je ako „krv“ vo vnútri lítium-iónovej batérie, ktorá zabezpečuje prepojenie medzi materiálmi kladnej a zápornej elektródy, čím zaručuje hladký priebeh celého procesu nabíjania-vybíjania.

Ideálny elektrolyt pre lítium-iónovú batériu by mal spĺňať nasledujúcich päť požiadaviek:

So stále -narastajúcimi požiadavkami na hustotu energie batérie a hustotu výkonu sa technológia batérií rýchlo rozvíja a materiály elektród dosiahli obrovský pokrok. Naproti tomu vývoj elektrolytických systémov zaostával. V súčasnosti možno vývoj lítium-iónových elektrolytov pre batérie rozdeliť do troch typov: elektrolyty bez-vodného rozpúšťadla, vodné elektrolyty a elektrolyty v tuhom stave-.

Elektrolyt bez{0}}vodného rozpúšťadla

 

Ne-vodné rozpúšťadlové elektrolyty v lítium{1}}iónových batériách označujú elektrolytické systémy, ktoré neobsahujú vodu a pozostávajú najmä z rozpúšťadiel, rozpustených látok (zvyčajne lítiových solí) a prísad. Tieto ne-vodné rozpúšťadlá sú zvyčajne organické rozpúšťadlá, nie vodné rozpúšťadlá, aby sa zabránilo elektrolýze vody alebo nežiaducim reakciám s materiálmi elektród. Lítiové soli sú primárnymi nosičmi lítium{5}}iónového transportu, rozpúšťadlá slúžia ako rozpúšťanie, disperzia a podpora lítiových solí a aditíva primárne slúžia na zlepšenie elektrochemického výkonu alebo bezpečnosti lítium{6}}iónových batérií.

Komerčne dostupné elektrolyty (tj tekuté elektrolyty) používané v lítium-iónových batériách sú primárne zložené z jednej alebo viacerých solí lítia rozpustených v dvoch alebo viacerých organických rozpúšťadlách; elektrolyty zložené z jedného rozpúšťadla sú veľmi zriedkavé. Dôvodom používania viacerých rozpúšťadiel je to, že skutočné-batérie majú odlišné, dokonca protichodné požiadavky, ktoré je ťažké splniť pri použití jedného rozpúšťadla. Napríklad elektrolyty môžu vyžadovať vysokú tekutosť, pričom majú tiež vysokú dielektrickú konštantu; preto sa rozpúšťadlá s rôznymi fyzikálno-chemickými vlastnosťami často používajú v kombinácii, pričom súčasne vykazujú rôzne charakteristiky. Okrem toho sa soli lítia vo všeobecnosti nepoužívajú súčasne, pretože výber solí lítia je obmedzený a ich výhody nie sú ľahko zrejmé.

Ideálne organické rozpúšťadlá by mali mať nasledujúce kľúčové vlastnosti: Po prvé, potrebujú vysokú dielektrickú konštantu, aby sa zabezpečilo dobré rozpúšťanie solí lítia; po druhé, mali by mať nízky bod topenia a vysoký bod varu, aby sa rozšíril rozsah prevádzkovej teploty elektrolytu; po tretie, nízka viskozita pomáha podporovať účinnú migráciu lítiových iónov v médiu; a nakoniec, tieto rozpúšťadlá by mali byť lacné a mali by mať nízku toxicitu (v ideálnom prípade by nemali byť-toxické). Uhličitanové zlúčeniny, ako jedno z prvých a najrozšírenejších organických rozpúšťadiel v priemysle lítium-iónových batérií, zaujímajú kľúčové postavenie v oblasti elektrolytov batérií.

V súčasnosti tento typ rozpúšťadla zahŕňa hlavne dve štruktúrne formy: cyklické a reťazové. V tabuľke nižšie sú zhrnuté príslušné fyzikálne parametre niekoľkých bežne používaných ne-vodných rozpúšťadiel, elektrolytov a organických rozpúšťadiel.

V súčasnosti sa v elektrolytoch široko používajú alkylkarbonátové rozpúšťadlá. Tieto rozpúšťadlá majú dobrú odolnosť proti oxidácii a vykazujú vynikajúcu stabilitu pri vysokonapäťových podmienkach. Cyklické uhličitany, ako je etylénkarbonát a propylénkarbonát, sú známe svojimi vysokými dielektrickými konštantami, čo znamená, že dokážu účinnejšie rozpúšťať soli lítia; avšak v dôsledku silných medzimolekulových síl majú tieto rozpúšťadlá vysokú viskozitu, ktorá v nich spomaľuje pohyb lítiových iónov. Na rozdiel od toho, reťazcové uhličitany, ako je dimetylkarbonát a dietylkarbonát, hoci majú nižšiu viskozitu, majú tiež relatívne nízke dielektrické konštanty, čo vedie k relatívne nízkej účinnosti rozpúšťania lítiových solí. Preto sa na prípravu roztokových systémov s vynikajúcou iónovou vodivosťou často miešajú rôzne typy rozpúšťadiel, ako sú kombinácie PC+DEC alebo EC+DMC. Lítiové soli, ako zdroj lítiových iónov v elektrolyte, zohrávajú hlavnú úlohu pri transporte lítium{7}}iónových iónov počas procesu nabíjania a vybíjania lítium{8}}iónových batérií. Ich výkon priamo ovplyvňuje mnohé aspekty lítium{10}}iónových batérií vrátane hustoty energie, hustoty výkonu, rozsahu prevádzkového napätia, životnosti cyklu a bezpečnosti. V súčasnosti sa v laboratórnom výskume a priemyselnej praxi zvyčajne vyberajú soli lítia s veľkými aniónovými polomermi a vysokou redoxnou stabilitou. Na základe chemického zloženia možno soli lítia rozdeliť do dvoch kategórií: anorganické soli lítia a organické soli lítia. Bolo vyvinutých niekoľko anorganických lítiových solí, vrátane LiPF6, LiClO4, LIBF a LIASF. Na rozdiel od toho, bežne používané organické lítiové soli v lítium-iónových batériách sú formulované pridaním elektrón-skupín odoberajúcich elektróny k aniónom týchto anorganických lítiových solí, ako je lítiumdioxalát-boritan (LiBOB), lítiumdifluóroxalát-boritan ([iODFB]), lítiumdifluórsulfonyl a lítiumdifluórsulfonylimid. nižšie uvedená tabuľka ukazuje relevantné fyzikálno-chemické vlastnosti niekoľkých bežne používaných lítiových solí v lítium-iónových batériách.

Aditíva sú látky pridávané do elektrolytu v nízkych koncentráciách (zvyčajne nie viac ako 10 % hmotnostných), ktoré majú špecifické funkcie a môžu výrazne zlepšiť elektrochemické vlastnosti batérie. Na základe ich funkcií možno tieto prísady rozdeliť do niekoľkých kategórií: prísady vytvárajúce film-, spomaľovače horenia a prísady na zabránenie prebíjania. Okrem toho existujú aditíva používané na zvýšenie vodivosti, optimalizáciu výkonu pri nízkych-teplotných podmienkach alebo na kontrolu stopových množstiev a koncentrácií HF v roztoku elektrolytu.