Înțelesul electrolit al bateriei cu litiu-ion?

◆Ce sunt electroliții apoși?

◆Introducere în electroliții solizi

Electrolitul, o componentă indispensabilă abaterii litiu-ion, joacă un rol crucial în ciclurile de încărcare-descărcare a bateriei.

Nu este doar responsabil pentru transportul eficient al ionilor de litiu și conducția curentului, dar posedă și proprietăți de izolație electronică pentru a preveni eficient fluxul direct de electroni între electrozii pozitivi și negativi. În sens figurat, electrolitul este ca „sângele” din interiorul unei baterii cu litiu-ion, asigurând conectivitatea dintre materialele electrodului pozitiv și negativ, garantând astfel progresul lin al întregului proces-de descărcare.

Un electrolit ideal pentru o baterie litiu-ion ar trebui să îndeplinească următoarele cinci cerințe:

Odată cu cerințele mereu-în creștere pentru densitatea și densitatea energiei bateriei, tehnologia bateriilor se dezvoltă rapid, iar materialele electrozilor au făcut progrese extraordinare. În schimb, dezvoltarea sistemelor electrolitice a rămas în urmă. În prezent, dezvoltarea electroliților de baterii cu litiu-ion poate fi clasificată în trei tipuri: electroliți cu solvenți ne{-apoși, electroliți apoși și electroliți în stare-solidă.

Electrolit cu solvent ne-apos

 

Electroliții cu solvenți non-apoși din bateriile cu-litiu se referă la sistemele de electroliți care nu conțin apă, compuse în principal din solvenți, substanțe dizolvate (de obicei săruri de litiu) și aditivi. Acești solvenți non-apoși sunt de obicei solvenți organici, mai degrabă decât solvenți apoși, pentru a evita electroliza apei sau reacțiile adverse cu materialele electrozilor. Sărurile de litiu sunt purtătorii principali pentru transportul-ionului de litiu, solvenții servesc drept dizolvare, dispersie și suport pentru sărurile de litiu, iar aditivii funcționează în primul rând pentru a îmbunătăți performanța electrochimică sau siguranța bateriilor-litiu.

Electroliții disponibili comercial (adică electroliții lichizi) utilizați în bateriile cu litiu-ion sunt alcătuiți în principal din una sau mai multe săruri de litiu dizolvate în doi sau mai mulți solvenți organici; electroliții formați dintr-un singur solvent sunt foarte rari. Motivul utilizării mai multor solvenți este că bateriile reale-au cerințe diferite, chiar contradictorii, care sunt dificil de îndeplinit folosind un singur solvent. De exemplu, electroliții pot necesita fluiditate ridicată, având și o constantă dielectrică ridicată; prin urmare, solvenții cu proprietăți fizico-chimice diferite sunt adesea utilizați în combinație, prezentând diferite caracteristici simultan. Mai mult, sărurile de litiu nu sunt utilizate în general simultan, deoarece selecția de săruri de litiu este limitată, iar avantajele acestora nu sunt ușor evidente.

Solvenții organici ideali ar trebui să posede următoarele proprietăți cheie: În primul rând, au nevoie de o constantă dielectrică ridicată pentru a asigura o bună dizolvare a sărurilor de litiu; în al doilea rând, ar trebui să aibă un punct de topire scăzut și un punct de fierbere ridicat pentru a lărgi domeniul de temperatură de funcționare a electrolitului; în al treilea rând, vâscozitatea scăzută ajută la promovarea migrării eficiente a ionilor de litiu în mediu; și, în cele din urmă, acești solvenți ar trebui să fie ieftini și să aibă o toxicitate scăzută (în mod ideal, ne-toxici). Compușii carbonatați, ca unul dintre cei mai timpurii și mai folosiți solvenți organici în industria bateriilor cu litiu-ion, ocupă o poziție crucială în domeniul electroliților bateriilor.

În prezent, acest tip de solvent include în principal două forme structurale: ciclic și în lanț. Tabelul de mai jos rezumă parametrii fizici relevanți ai mai multor solvenți ne-apoși, electroliți și solvenți organici utilizați în mod obișnuit.

În prezent, solvenții carbonatați de alchil sunt utilizați pe scară largă în electroliți. Acești solvenți posedă o bună rezistență la oxidare și prezintă o stabilitate excelentă în condiții de înaltă tensiune. Carbonații ciclici, cum ar fi carbonatul de etilenă și carbonatul de propilenă, sunt cunoscuți pentru constantele lor dielectrice ridicate, ceea ce înseamnă că pot dizolva mai eficient sărurile de litiu; totuși, datorită forțelor intermoleculare puternice, acești solvenți au vâscozitate ridicată, ceea ce încetinește mișcarea ionilor de litiu în interiorul lor. În contrast, carbonații de lanț, cum ar fi carbonatul de dimetil și carbonatul de dietil, deși au o vâscozitate mai mică, au și constante dielectrice relativ scăzute, rezultând o eficiență de dizolvare relativ slabă pentru sărurile de litiu. Prin urmare, pentru a pregăti sisteme de soluție cu conductivitate ionică superioară, sunt adesea amestecate diferite tipuri de solvenți, cum ar fi combinații PC+DEC sau EC+DMC. Sărurile de litiu, ca sursă de ioni de litiu din electrolit, joacă un rol major în transportul ionilor de litiu-în timpul procesului de încărcare și descărcare a bateriilor cu ioni de litiu-. Performanța lor afectează în mod direct multe aspecte ale bateriilor cu litiu-, inclusiv densitatea energiei, densitatea puterii, intervalul de tensiune de funcționare, durata de viață și siguranța. În prezent, în cercetarea de laborator și practica industrială, sunt de obicei selectate sărurile de litiu cu raze anionice mari și stabilitate redox ridicată. Pe baza compoziției lor chimice, sărurile de litiu pot fi clasificate pe scară largă în două categorii: săruri de litiu anorganice și săruri de litiu organice. Au fost dezvoltate mai multe săruri anorganice de litiu, inclusiv LiPF6, LiClO4, LIBF și LIASF. Spre deosebire de aceasta, sărurile organice de litiu utilizate în mod obișnuit în bateriile cu litiu-ion sunt formulate prin adăugarea de grupe-de retragere de electroni la anionii acestor săruri anorganice de litiu, cum ar fi dioxalato-boratul de litiu (LiBOB), difluorooxalato-difluoroxalato{20}ODFBoroatul de litiu ([20}ODFBoromid) (LiFSI) și ditrifluormetilsulfonilimidă de litiu (LTFSI). Tabelul de mai jos prezintă proprietățile fizico-chimice relevante ale mai multor săruri de litiu utilizate în mod obișnuit în bateriile cu litiu-ion.

Aditivii sunt substanțe adăugate electrolitului în concentrații mici (de obicei nu mai mult de 10% din masă) care au funcții specifice și pot îmbunătăți semnificativ caracteristicile electrochimice ale bateriei. Pe baza funcțiilor lor, acești aditivi pot fi clasificați pe scară largă în mai multe categorii: aditivi formatori de peliculă-, retardanți de flacără și aditivi pentru prevenirea supraîncărcării. În plus, există aditivi utilizați pentru a îmbunătăți conductibilitatea, a optimiza performanța în condiții de temperatură scăzută-sau pentru a controla urmele și concentrațiile de HF în soluția de electrolit.