◆Wat binne wetterige elektrolyten?
◆Yntroduksje ta Solid Electrolytes
De electrolyte, in ûnmisbere komponint fanlithium-ion-batterijen, spilet in krúsjale rol yn de ladings-ûntladingssyklusen fan 'e batterij.
It is net allinich ferantwurdlik foar it effisjinte ferfier fan lithium-ionen en de konduksje fan aktuele, mar hat ek elektroanyske isolaasje-eigenskippen om effektyf direkte elektroanenstream te foarkommen tusken de positive en negative elektroden. Figuratyf sprutsen is de elektrolyt as it "bloed" yn in lithium-ionbatterij, en soarget foar de ferbining tusken de positive en negative elektrodesmaterialen, en garandearret dêrmei de glêde foarútgong fan it hiele ladings-ûntladingsproses.
In ideale elektrolyt foar in lithium-ionbatterij moat oan de folgjende fiif easken foldwaan:
(1) High ionic conductivity (>10⁻3S/cm).
(2) Wide electrochemical window (>4.5 V tsjin Li+/Li).
(3) Goede kompatibiliteit mei elektroden, behâld fan de leechste mooglike ynterfacial ferset.
(4) Prachtige termyske en gemyske stabiliteit, wêrtroch't de batterij feilich operearje kin oer in breed temperatuerberik.
(5) Lege kosten, lege toxicity, en miljeufreonlik.
Mei de hieltyd -tanimmende easken foar batterij-enerzjystichtens en krêfttichte, ûntwikkelet batterijtechnology rap, en elektrodematerialen hawwe enoarme foarútgong makke. Yn tsjinstelling is de ûntwikkeling fan elektrolytsystemen efterlitten. Op it stuit kin de ûntwikkeling fan lithium-ion-batterijelektrolyten breed yn trije soarten yndield wurde: net-wetterige solventelektrolyten, wetterige elektrolyten en fêste-elektrolyten.
Net-wetterige oplosmiddelelektrolyt
Net-wetterige solventelektrolyten yn lithium-ionbatterijen ferwize nei elektrolytsystemen dy't gjin wetter befetsje, benammen gearstald út solvents, soluten (meastentiids lithiumsâlten), en additieven. Dizze net-wetterige solvents binne typysk organyske solvents, ynstee fan wetterige solvents, om elektrolyse fan wetter of neidielige reaksjes mei elektrodematerialen te foarkommen. Lithiumsâlten binne de primêre dragers foar lithium-iontransport, solvents tsjinje as de ûntbining, dispersion en stipe foar lithiumsâlten, en additieven funksjonearje primêr om de elektrogemyske prestaasjes of feiligens fan lithium-ionbatterijen te ferbetterjen.
Kommersjeel beskikbere elektrolyten (dws floeibere elektrolyten) brûkt yn lithium-ionbatterijen binne foaral gearstald út ien of mear lithiumsâlten oplost yn twa of mear organyske solvents; elektrolyten gearstald út ien solvent binne tige seldsum. De reden foar it brûken fan meardere solvents is dat echte-wrâldbatterijen ferskillende, sels tsjinstridige, easken hawwe dy't dreech te foldwaan binne mei ien solvent. Bygelyks, electrolytes kinne fereaskje hege fluidity wylst ek hawwende in hege dielectric konstante; dêrom, solvents mei ferskillende fysysk-gemyske eigenskippen wurde faak brûkt yn kombinaasje, exhibiting ferskillende skaaimerken tagelyk. Fierder wurde lithiumsâlten oer it generaal net tagelyk brûkt, om't de seleksje fan lithiumsâlten beheind is, en har foardielen net maklik te sjen binne.
Ideale organyske solvents moatte de folgjende wichtige eigenskippen hawwe: Earst hawwe se in hege dielektrike konstante nedich om te soargjen foar goede ûntbining fan lithium sâlten; twadde, se moatte hawwe in leech raanpunt en in hege siedpunt te ferbreedzjen it wurk temperatuer berik fan de electrolyte; tredde, lege viscosity helpt te befoarderjen effisjinte migraasje fan lithium-ionen yn it medium; en as lêste, dizze solvents moatte wêze goedkeap en hawwe lege toxicity (ideaal net -toxic). Karbonaatferbiningen, as ien fan 'e ierste en meast brûkte organyske solvents yn 'e lithium-ionbatterij-yndustry, nimme in krúsjale posysje yn op it mêd fan batterijelektrolyten.
Op it stuit, dit soarte fan oplosmiddel omfiemet benammen twa strukturele foarmen: cyclic en keten. De tabel hjirûnder fettet de relevante fysike parameters gear fan ferskate gewoan brûkte net-wetterige solvents, elektrolyten en organyske solvents.
| Kategory | Type | Struktuer | Smeltpunt (graad) | Kookpunt (graad) | Yndividuele dampdruk (25 graden) | Relative tichtens (25 graden)/(mPa·s) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Ethyleenkarbonaat (EC) | Cyclic | 36.4 | 248 | 89,780 | 1.904 (40 graden) | |
| Propyleenkarbonaat (PC) | Cyclic | -48.4 | 242 | 64,920 | 2.53 | |
| Karbonaten | Butylene Carbonate (BC) | Cyclic | -54.0 | 240 | 53,000 | 3.20 |
| Dimethylcarbonate (DMC) | Linear | 4.6 | 91 | 3,107 | 0.59 | |
| Diethyl Carbonate (DEC) | Linear | -74.3 | 126 | 2,805 | 0.75 | |
| Ethyl Methyl Carbonate (EMC) | Linear | -53.0 | 110 | 2,958 | 0.65 |
Op it stuit wurde alkylkarbonaat-oplosmiddels in protte brûkt yn elektrolyten. Dizze oplosmiddels hawwe goede oksidaasjebestriding en fertoane poerbêste stabiliteit ûnder hege spanningsomstannichheden. Cyclic carbonates, lykas ethylene carbonate en propylene carbonate, binne bekend om harren hege dielectric konstanten, wat betsjut dat se kinne oplosse lithium sâlten effektiver; lykwols, troch sterke intermolecular krêften, dizze solvents hawwe hege viscosity, dy't fertraget de beweging fan lithium ioanen binnen harren. Yn tsjinstelling, keten karbonaten, lykas dimethyl carbonate en diethyl carbonate, wylst hawwende legere viscosity, hawwe ek relatyf lege dielectric konstanten, resultearret yn relatyf minne oplossing effisjinsje foar lithium sâlten. Dêrom, om oplossingsystemen te meitsjen mei superieure ionyske konduktiviteit, wurde ferskate soarten solvents faak mingd, lykas PC + DEC of EC + DMC-kombinaasjes. Lithium sâlten, as de boarne fan lithium ionen yn 'e elektrolyt, spylje in wichtige rol yn lithium - ion transport tidens it opladen en ûntlaad proses fan lithium - ion batterijen. Har prestaasje hat direkte ynfloed op in protte aspekten fan lithium-ionbatterijen, ynklusyf enerzjytichtens, machtstichtens, wurkspanningsberik, sykluslibben en feiligens. Op it stuit, yn laboratoariumûndersyk en yndustriële praktyk, wurde lithium sâlten mei grutte anionyske radii en hege redoxstabiliteit typysk selektearre. Op grûn fan har gemyske gearstalling kinne lithiumsâlten breed wurde yndield yn twa kategoryen: anorganyske lithiumsâlten en organyske lithiumsâlten. Ferskate anorganyske lithium sâlten binne ûntwikkele, ynklusyf LiPF6, LiClO4, LIBF, en LIASF. Yn tsjinstelling, algemien brûkte organyske lithium sâlten yn lithium-ionbatterijen wurde formulearre troch it tafoegjen fan elektroanen-ûntlûkende groepen oan de anionen fan dizze anorganyske lithiumsâlten, lykas lithiumdioxalato-borate (LiBOB), lithiumdifluorooxalato{]{20}}sulfonydifluoro{]{20}}. (LiFSI), en lithium ditrifluoromethylsulfonylimide (LTFSI). De tabel hjirûnder lit de relevante fysysk-gemyske eigenskippen sjen fan ferskate faak brûkte lithiumsâlten yn lithium-ionbatterijen.
| Kategory | Lithium sâlt | Molekulêre gewicht (g/mol) | Oplosber yn karbonaten? | Oplosber yn wetter? | Elektryske konduktiviteit (1 mol/l, EC/DMC, 20 graden) (mS/cm) |
|---|---|---|---|---|---|
| Anorganyske lithium sâlten | LiPF₆ | 151.91 | Ja | Ja | 10.00 |
| LiBF₄ | 93.74 | Ja | Ja | 4.50 | |
| LiClO₄ | 106.40 | Ja | Ja | 9.00 | |
| Organyske lithium sâlten | LiTFSI | 287.08 | Ja | Ja | 6.18 |
| LiFSI | 187.07 | Ja | Ja | 10.40 | |
| LiBOB | 193.79 | Ja | Ja | 0.65 |
Additiven binne stoffen tafoege oan de elektrolyt yn lege konsintraasjes (meastal net mear as 10% troch massa) dy't hawwe spesifike funksjes en kinne gâns ferbetterje de elektrochemyske skaaimerken fan de batterij. Op grûn fan har funksjes kinne dizze tafoegings breed yndield wurde yn ferskate kategoryen: film-foarmjende tafoegings, flammefertragers, en tafoegings om oerladen te foarkommen. Dêrnjonken binne d'r tafoegings dy't brûkt wurde om konduktiviteit te ferbetterjen, prestaasjes te optimalisearjen ûnder lege -temperatueromstannichheden, of spoarbedragen en HF-konsintraasjes yn 'e elektrolytoplossing te kontrolearjen.