X'inhu l-elettrolit f'batterija tal-litju?
elettrolit
L-elettrolit f'batterija tal-litju-jone huwa t-trasportatur tal-joni fil-batterija. Ġeneralment huwa magħmul minn melħ tal-litju, solventi organiċi, u addittivi, kif muri fil-Figura 7-4. L-elettrolit għandu rwol kruċjali fit-tmexxija tal-joni bejn l-elettrodi pożittivi u negattivi ta 'batterija tal-jone tal-litju-, u jiżgura l-vantaġġi tiegħu bħal vultaġġ għoli u enerġija speċifika għolja. L-elettroliti huma tipikament ippreparati taħt kundizzjonijiet speċifiċi u fi proporzjonijiet speċifiċi minn solventi organiċi ta'-purità għolja, melħ tal-litju, u addittivi meħtieġa. Filwaqt li l-materjali tal-elettrodu jiddeterminaw id-densità tal-enerġija tal-batterija, l-elettrolit jiddetermina fundamentalment il-ħajja taċ-ċiklu tiegħu, il-prestazzjoni tat-temperatura għolja u baxxa, u s-sigurtà. Il-kompożizzjoni bażika ta 'l-elettrolit tibqa' relattivament mhux mibdula; l-innovazzjoni tinsab prinċipalment fl-iżvilupp ta 'melħ u addittivi tal-litju ġodda, kif ukoll fehim aktar profond tal-proċessi kimiċi interfaċjali u l-mekkaniżmi involuti fil-batteriji tal-jone tal-litju.
Hemm ħafna tipi ta 'melħ tal-litju, kif muri fil-Figura 7-5, iżda ftit li xejn jintużaw f'batteriji tal-jone tal-litju disponibbli kummerċjalment. Melħ tal-litju ideali għandu jkollu l-proprjetajiet li ġejjin:
1) Grad baxx ta 'assoċjazzjoni, li jinħall faċilment f'solventi organiċi, li jiżgura konduttività jonika għolja tal-elettrolit.
2) Anjoni b'reżistenza antiossidant u tnaqqis; prodotti ta' tnaqqis jiffaċilitaw il-formazzjoni ta' film SEI stabbli, b'-reżistenza baxxa.
3) Stabbiltà kimika tajba, mingħajr ma tikkawża reazzjonijiet sekondarji ta 'ħsara b'materjali ta' elettrodu, elettroliti, jew separaturi.
4) Proċess ta' preparazzjoni sempliċi, bi prezz baxx, mhux-tossiku u-ħieles mit-tniġġis.
LiPF6 huwa l-melħ tal-litju l-aktar użat. Filwaqt li l-proprjetajiet individwali tiegħu mhumiex l-aktar pendenti tiegħu, juri prestazzjoni ġenerali relattivament ottima f'elettroliti solventi mħallta bil-karbonati. LiPF6 għandu l-vantaġġi ewlenin li ġejjin:
1) Solubilità xierqa u konduttività jonika għolja f'solventi mhux -akweżi.
2) Jista 'jifforma film ta' passivazzjoni stabbli fuq il-wiċċ tal-kolletturi tal-kurrent tal-fojl tal-aluminju.
3) Jifforma b'mod sinerġiku film SEI stabbli fuq il-wiċċ tal-elettrodu tal-grafita b'solventi tal-karbonat.
Madankollu, LiPF6 għandu stabbiltà termali fqira u huwa suxxettibbli għal reazzjonijiet ta 'dekompożizzjoni. Il-prodotti sekondarji jistgħu jagħmlu ħsara lill-film SEI fuq il-wiċċ tal-elettrodu, ħoll il-komponenti attivi tal-elettrodu pożittiv, u jwasslu għal tħassir tal-kapaċità waqt iċ-ċikliżmu.
LiBF huwa wkoll addittiv tal-melħ tal-litju użat komunement. Meta mqabbel ma 'LiPF6, LiBF għandu firxa usa' ta 'temperatura operattiva, stabbiltà aħjar ta' -temperatura għolja, u prestazzjoni superjuri ta 'temperatura baxxa-. LiBF jippossjedi konduttività għolja, tieqa elettrokimika wiesgħa, u stabbiltà termali tajba. L-akbar vantaġġ tiegħu jinsab fil--propjetajiet li jiffurmaw il-film, peress li jista 'jipparteċipa direttament fil-formazzjoni tal-film SEI.
Strutturalment, LiDFOB huwa magħmul minn nofs-molekuli ta' LiBOB u LiBF, li jgħaqqad il-vantaġġi ta' proprjetajiet tajbin ta' film-forming ta' LiBOB u l-prestazzjoni tajba ta' -temperatura baxxa ta' LiBF4. Meta mqabbel ma 'LiBOB, LiDFOB għandu solubilità ogħla f'solventi tal-karbonat lineari u konduttività ogħla tal-elettroliti. Il-prestazzjoni ta '-temperatura għolja u ta' temperatura baxxa-tagħha hija aħjar minn LiPF4, u għandha kompatibilità tajba mal-katodu tal-batterija, li tifforma film ta 'passivazzjoni fuq il-wiċċ tal-fojl tal-aluminju u tinibixxi l-ossidazzjoni tal-elettroliti.
Il-gruppi CF₃SO₂ fl-istruttura LiTFSI għandhom effett qawwi ta' rtirar tal-elettroni-, li jaggrava d-delokalizzazzjoni tal-ċarġ negattiv u jnaqqas it-tqabbil tal-assoċjazzjoni tal-joni, li jirriżulta f'solubilità għolja tal-melħ. Barra minn hekk, LiTFSI għandu konduttività elettrika għolja, temperatura għolja ta 'dekompożizzjoni termali, u mhux idrolizzat faċilment; madankollu, se jissaddad ħafna l-kolletturi tal-kurrent tal-aluminju f'vultaġġi 'l fuq minn 3.7V.
L-atomi tal-fluworin fil-molekula LiFSI għandhom proprjetajiet qawwija ta' rtirar tal-elettroni-, li jiddelokalizzaw il-ċarġ negattiv fuq N, li jirriżulta f'assoċjazzjoni ta 'jone dgħajfa u dissoċjazzjoni faċli ta' Li+, u b'hekk iwassal għal konduttività għolja.
LiPO2F2 juri prestazzjoni tajba fit-temperatura baxxa u jtejjeb ukoll il-prestazzjoni f'temperatura għolja tal-elettrolit. Bħala addittiv, jista 'jifforma film SEI rikk f'LixPOyFz u LiF fuq il-wiċċ tal-elettrodu negattiv, li jgħin biex titnaqqas l-impedenza interfaċjali tal-batterija u ttejjeb il-prestazzjoni taċ-ċiklu tal-batterija. Madankollu, LiPO2F2 ibati wkoll minn solubilità baxxa.
Il-komponent ewlieni tal-elettrolit likwiduhuwa s-solvent organiku, li jxolji l-melħ tal-litju u jipprovdi trasportatur għall-joni tal-litju. Solvent organiku ideali għal elettrolit tal-batterija tal-litju-jone jeħtieġ li jissodisfa l-kundizzjonijiet li ġejjin:
1) Kostanti dielettriċi għolja u kapaċità qawwija ta 'tidwib għall-melħ tal-litju.
2) Punt ta 'tidwib baxx u punt ta' togħlija għoli, li jżomm stat likwidu fuq firxa wiesgħa ta 'temperatura.
3) Viskożità baxxa, li tiffaċilita t-trasport tal-jone tal-litju-.
4) Stabbiltà kimika tajba, ma tagħmilx ħsara lill-istruttura tal-elettrodu pożittiv u negattiv jew ħoll il-materjali tal-elettrodu pożittiv u negattiv.
5) Punt ta 'flash għoli, sikurezza tajba, prezz baxx, mhux-tossiku u mhux-li jniġġes.
Solventi organiċi komuni użati fl-elettroliti tal-batteriji tal-litju-jone huma prinċipalment maqsuma f'solventi karbonati u solventi etere organiku, kif muri fil-Figura 7-6. Biex tikseb elettrolit tal-batterija tal-jone tal-litju ta '-prestazzjoni għolja, normalment jintuża solvent imħallat li jkun fih żewġ solventi organiċi jew aktar, li jippermettilhom jikkumplimentaw lil xulxin u jiksbu prestazzjoni ġenerali aħjar. Il-proprjetajiet fiżiċi tas-solventi karbonati komuni huma murija fit-Tabella 7-1.
Tabella 7-1 Proprjetajiet Fiżiċi ta' Solventi Karbonati Komuni
| Solvent Organiku | Kostanti Dielettrika Relattiva | Punt tat-tidwib/grad | Punt tat-togħlija/grad | Koeffiċjent tal-viskożità |
|---|---|---|---|---|
| Karbonat tal-Etilene (KE) | 89.6 | 37 | 243 | 1.86 |
| Propylene Carbonate (PC) | 64.4 | -55 | 240 | 2.53 |
| Karbonat tad-Dimetil (DMC) | 0.59 | 2 | 91 | 0.59 |
| Karbonat tad-Dietil (DEC) | 2.8 | -43 | 126 | 0.75 |
| Karbonat tal-metil tal-etil (EMC) | 3.0 | -53 | 108 | 0.65 |
Is-solventi organiċi tal-etere jinkludu prinċipalment eteri tal-katina bħal 1,2-dimethoxypropane (DMP), dimethoxymethane (DMM), u ethylene glycol dimethyl ether (DME), u eteri ċikliċi bħal tetrahydrofuran (THF) u 2-methyltetrahydrofuran (2-Metrahydrofuran) (2) . Għas-solventi tal-etere tal-katina, iktar ma tkun itwal il-katina tal-karbonju, aħjar tkun l-istabbiltà kimika, iżda iktar tkun għolja l-viskożità u inqas tkun ir-rata ta 'migrazzjoni tal-jone tal-litju. Ethylene glycol dimethyl ether jista 'jifforma kelat relattivament stabbli (LiPF6 · DME) b'eżafluworofosfat tal-litju, li juri qawwa qawwija ta' tħoll għall-melħ tal-litju u li jirriżulta f'konduttività għolja ta 'elettroliti. Madankollu, DME għandu stabbiltà kimika fqira u ma jistax jifforma film ta 'passivazzjoni stabbli fuq il-wiċċ tal-materjal tal-elettrodu negattiv.
Is-solventi tal-karbonat jinkludu karbonati ċikliċi bħal karbonat tal-propilene (PC) u karbonat tal-etilene (KE), u karbonati tal-katina bħal karbonat tad-dimetil (DMC), karbonat tad-dietil (DEC), u karbonat tal-metil etil (EMC). Karbonati ċikliċi għandhom kostanti dielettrika għolja, li jagħmlu l-imluħa tal-litju aktar solubbli, iżda għandhom ukoll viskożità għolja, li tirriżulta f'rata aktar baxxa ta 'migrazzjoni tal-jone tal-litju-. Karbonati tal-katina għandhom kostanti dielettrika baxxa u solubbiltà dgħajfa tal-melħ tal-litju, iżda viskożità baxxa u fluss tajjeb, li jiffaċilita l-migrazzjoni tal-jone tal-litju-.
It-tipi ta' addittivi ritardanti tal-fjammi għall-elettroliti tal-litju-jone huma murija fil-Figura 7-7. L-addittivi, użati f'ammonti żgħar, għandhom effetti sinifikanti u huma metodu ekonomiku u prattiku għat-titjib tal-prestazzjoni tal-batteriji tal-litju-jone. Billi żżid doża żgħira ta 'addittivi ma' l-elettrolit tal-batteriji tal-litju-jone, ċerti karatteristiċi tal-prestazzjoni tal-batterija jistgħu jitjiebu speċifikament, bħal kapaċità riversibbli, kompatibilità ta 'elettrodu/elettroliti, prestazzjoni taċ-ċiklu, prestazzjoni tar-rata, u prestazzjoni tas-sikurezza, li għandhom rwol kruċjali fil-batteriji tal-jone tal-litju-. Addittiv tal-elettroliti tal-batterija tal-jone tal-litju ideali għandu jkollu l-erba' karatteristiċi li ġejjin:
1) Solubilità għolja f'solventi organiċi.
2) Ammont żgħir jista 'jtejjeb b'mod sinifikanti karatteristika ta' prestazzjoni waħda jew aktar.
3) L-ebda reazzjonijiet sekondarji ta 'ħsara ma' komponenti oħra tal-batterija li jaffettwaw il-prestazzjoni tal-batterija.
4) Bi prezz baxx, mhux-tossiku jew tossiċità baxxa.
Ibbażat fuq il-funzjoni tagħhom, l-addittivi jistgħu jiġu kategorizzati f'addittivi konduttivi, addittivi ta 'protezzjoni ta' ħlas żejjed, addittivi ritardanti tal-fjammi, addittivi li jiffurmaw il-film SEI-, protettivi tal-materjal tal-katodu, stabilizzaturi LiPF6, u addittivi funzjonali oħra.
L-addittivi konduttivi jtejbu l-prestazzjoni tar-rata tal-batteriji tal-litju-jone billi jikkoordinaw mal-jonji tal-elettroliti, jippromwovu x-xoljiment tal-melħ tal-litju, u jżidu l-konduttività tal-elettroliti. Minħabba li l-addittivi konduttivi jaħdmu permezz ta 'reazzjonijiet ta' koordinazzjoni, jissejħu wkoll addittivi tal-ligand, u huma kklassifikati f'ligandi anjoniċi, ligandi katjoniċi, u ligandi newtrali bbażati fuq il-jone li jinteraġixxi.
L-addittivi ta 'protezzjoni ta' ħlas żejjed jipprovdu protezzjoni ta 'ħlas żejjed jew itejbu t-tolleranza ta' ħlas żejjed. Huma kklassifikati funzjonalment f'addittivi redox u addittivi monomeriċi. Bħalissa, l-addittivi redox huma prinċipalment serje anisole, li għandhom potenzjali redox għolja u solubilità tajba. L-addittivi tal-monomeru jgħaddu minn reazzjonijiet ta 'polimerizzazzjoni taħt vultaġġ għoli, li jirrilaxxaw gassijiet, u l-polimeru jiksi l-wiċċ tal-materjal tal-katodu, u jinterrompi l-iċċarġjar. L-addittivi tal-monomeri jinkludu prinċipalment komposti aromatiċi bħal xylene u phenylcyclohexane.
L-addittivi ritardanti tal-fjammi jiffunzjonaw billi jgħollu l-punt tat-tqabbid tal-elettrolit jew itemmu r-reazzjoni tal-katina radikali ħielsa li tinibixxi l-kombustjoni. It-tipi tagħhom huma murija fil-Figura 7-8. Iż-żieda ta 'ritardanti tal-fjammi hija waħda mill-modi importanti biex titnaqqas il-fjammabbiltà tal-elettrolit, twessa' l-firxa tat-temperatura operattiva tal-batteriji tal-jone tal-litju, u ttejjeb il-prestazzjoni tagħhom. Il-mekkaniżmi ta 'azzjoni ta' addittivi ritardanti tal-fjammi huma prinċipalment doppju:
1) Billi joħolqu saff iżolanti bejn il-fażi tal-gass u l-fażi kondensata, jipprevjenu l-kombustjoni kemm fil-fażi kondensata kif ukoll fil-fażi tal-gass.
2) Huma jaqbdu radikali ħielsa matul il-proċess ta 'reazzjoni tal-kombustjoni, u jtemmu r-reazzjoni tal-katina radikali ħielsa li tinibixxi r-reazzjonijiet tal-kombustjoni bejn il-fażijiet tal-gass.
