Kāds ir elektrolīts litija akumulatorā?

Kāds ir elektrolīts litija akumulatorā?

elektrolīts

Elektrolīts litija{0}}jonu akumulatorā ir jonu nesējs akumulatorā. Tas parasti sastāv no litija sāļiem, organiskiem šķīdinātājiem un piedevām, kā parādīts 7. attēlā-4. Elektrolītam ir izšķiroša nozīme jonu vadīšanā starp litija -jonu akumulatora pozitīvajiem un negatīvajiem elektrodiem, nodrošinot tā priekšrocības, piemēram, augstu spriegumu un augstu īpatnējo enerģiju. Elektrolītus parasti sagatavo īpašos apstākļos un noteiktās proporcijās no augstas -tīrības organiskiem šķīdinātājiem, litija sāļiem un nepieciešamajām piedevām. Kamēr elektrodu materiāli nosaka akumulatora enerģijas blīvumu, elektrolīts būtiski nosaka tā cikla ilgumu, veiktspēju augstā un zemā temperatūrā un drošību. Elektrolīta pamatsastāvs paliek relatīvi nemainīgs; inovācija galvenokārt slēpjas jaunu litija sāļu un piedevu izstrādē, kā arī dziļākā izpratnē par saskarnes ķīmiskajiem procesiem un mehānismiem, kas saistīti ar litija jonu baterijām.

Ir daudz litija sāļu veidu, kā parādīts 7 Ideālam litija sālim vajadzētu būt šādām īpašībām:

1) Zema asociācijas pakāpe, viegli šķīst organiskajos šķīdinātājos, nodrošinot augstu elektrolīta jonu vadītspēju.

2) Anjoni ar antioksidantu un reducēšanas rezistenci; samazināšanas produkti veicina stabilas, zemas -pretestības SEI plēves veidošanos.

3) Laba ķīmiskā stabilitāte, neizraisot kaitīgas blakusparādības ar elektrodu materiāliem, elektrolītiem vai separatoriem.

4) Vienkāršs sagatavošanas process, zemas izmaksas, nav -toksiskas un bez piesārņojuma-.

LiPF6 ir visplašāk izmantotais litija sāls. Lai gan tā individuālās īpašības nav tās izcilākās, tā uzrāda salīdzinoši optimālu kopējo veiktspēju karbonātu jauktu šķīdinātāju elektrolītos. LiPF6 ir šādas galvenās priekšrocības:

1) Piemērota šķīdība un augsta jonu vadītspēja ne-ūdens šķīdinātājos.

2) Tas var veidot stabilu pasivācijas plēvi uz alumīnija folijas strāvas kolektoru virsmas.

3) Tas sinerģiski veido stabilu SEI plēvi uz grafīta elektroda virsmas ar karbonātu šķīdinātājiem.

Tomēr LiPF6 ir slikta termiskā stabilitāte, un tas ir pakļauts sadalīšanās reakcijām. Blakusprodukti var sabojāt SEI plēvi uz elektroda virsmas, izšķīdināt pozitīvās elektroda aktīvās sastāvdaļas un izraisīt kapacitātes samazināšanos riteņbraukšanas laikā.

LiBF ir arī plaši izmantota litija sāls piedeva. Salīdzinot ar LiPF6, LiBF ir plašāks darba temperatūras diapazons, labāka stabilitāte augstā-temperatūrai un izcila veiktspēja zemā-temperatūrā. LiBF ir augsta vadītspēja, plašs elektroķīmiskais logs un laba termiskā stabilitāte. Tās lielākā priekšrocība ir tās plēves{6}}veidošanas īpašībās, jo tā var tieši piedalīties SEI plēves veidošanā.

Strukturāli LiDFOB sastāv no pus{0}}LiBOB un LiBF molekulām, kas apvieno LiBOB labo plēves-veidošanas īpašību priekšrocības un LiBF4 labo veiktspēju zemā{2}}temperatūrā. Salīdzinot ar LiBOB, LiDFOB ir augstāka šķīdība lineārajos karbonāta šķīdinātājos un augstāka elektrolītu vadītspēja. Tā veiktspēja augstā{5}}temperatūra un zemā{6}}temperatūra ir labāka nekā LiPF4, un tam ir laba saderība ar akumulatora katodu, veidojot pasivācijas plēvi uz alumīnija folijas virsmas un kavējot elektrolīta oksidēšanos.

CF₃SO₂ grupām LiTFSI struktūrā ir spēcīgs elektronu -izvilkšanas efekts, kas pastiprina negatīvā lādiņa delokalizāciju un samazina jonu asociācijas pārus, kā rezultātā sāls ir ļoti labi šķīst. Turklāt LiTFSI ir augsta elektrovadītspēja, augsta termiskās sadalīšanās temperatūra, un tas nav viegli hidrolizējams; tomēr tas stipri korodēs alumīnija strāvas kolektorus pie sprieguma virs 3,7V.

Fluora atomiem LiFSI molekulā ir spēcīgas elektronu -izvilkšanas īpašības, kas delokalizē negatīvo lādiņu uz N, kā rezultātā rodas vāja jonu saistība un viegla Li+ disociācija, tādējādi radot augstu vadītspēju.

LiPO2F2 uzrāda labu veiktspēju zemā-temperatūrā, kā arī uzlabo elektrolīta veiktspēju augstā-temperatūrā. Kā piedeva tā var veidot SEI plēvi, kas bagāta ar LixPOyFz un LiF uz negatīvā elektroda virsmas, kas palīdz samazināt akumulatora saskarnes pretestību un uzlabot akumulatora cikla veiktspēju. Tomēr LiPO2F2 arī cieš no zemas šķīdības.

Galvenā sastāvdaļašķidrs elektrolītsir organiskais šķīdinātājs, kas izšķīdina litija sāļus un nodrošina litija jonu nesēju. Ideālam organiskajam šķīdinātājam litija{1}}jonu akumulatora elektrolītam ir jāatbilst šādiem nosacījumiem:

1) Augsta dielektriskā konstante un spēcīga litija sāļu šķīdināšanas spēja.

2) Zema kušanas temperatūra un augsta viršanas temperatūra, saglabājot šķidru stāvokli plašā temperatūras diapazonā.

3) Zema viskozitāte, kas atvieglo litija{1}}jonu transportēšanu.

4) Laba ķīmiskā stabilitāte, nesabojā pozitīvo un negatīvo elektrodu struktūru un neizšķīdina pozitīvo un negatīvo elektrodu materiālus.

5) Augsta uzliesmošanas temperatūra, laba drošība, zemas izmaksas, netoksisks un ne-piesārņojošs.

Parastie litija{0}}jonu akumulatoru elektrolītos izmantotie organiskie šķīdinātāji galvenokārt ir sadalīti karbonātu šķīdinātājos un organiskajos ētera šķīdinātājos, kā parādīts 7. attēlā-6. Lai iegūtu augstas veiktspējas -litija jonu akumulatora elektrolītu, parasti tiek izmantots jaukts šķīdinātājs, kas satur divus vai vairākus organiskos šķīdinātājus, ļaujot tiem papildināt viens otru un sasniegt labāku kopējo veiktspēju. Parasto karbonātu šķīdinātāju fizikālās īpašības ir parādītas 7-1. tabulā.

7-1. tabula Parasto karbonātu šķīdinātāju fizikālās īpašības

Organiskie ētera šķīdinātāji galvenokārt ir ķēžu ēteri, piemēram, 1,2-dimetoksipropāns (DMP), dimetoksimetāns (DMM) un etilēnglikola dimetilēteris (DME), un cikliskie ēteri, piemēram, tetrahidrofurāns (THF) un 2-metiltetrahidrofurāns (2-Me-THF). Ķēdes ētera šķīdinātājiem, jo ​​garāka ir oglekļa ķēde, jo labāka ir ķīmiskā stabilitāte, bet augstāka viskozitāte un mazāks litija jonu migrācijas ātrums. Etilēnglikola dimetilēteris var veidot relatīvi stabilu helātu (LiPF6 · DME) ar litija heksafluorfosfātu, kam ir spēcīga litija sāļu šķīdināšanas spēja un kā rezultātā ir augsta elektrolīta vadītspēja. Tomēr DME ir slikta ķīmiskā stabilitāte, un tā nevar izveidot stabilu pasivācijas plēvi uz negatīvā elektroda materiāla virsmas.

Karbonātu šķīdinātāji ietver cikliskos karbonātus, piemēram, propilēnkarbonātu (PC) un etilēnkarbonātu (EC), un ķēdes karbonātus, piemēram, dimetilkarbonātu (DMC), dietilkarbonātu (DEC) un metiletilkarbonātu (EMC). Cikliskajiem karbonātiem ir augsta dielektriskā konstante, kas padara litija sāļus šķīstošākus, taču tiem ir arī augsta viskozitāte, kā rezultātā litija{1}}jonu migrācijas ātrums ir mazāks. Ķēdes karbonātiem ir zema dielektriskā konstante un vāja litija sāļu šķīdība, bet zema viskozitāte un laba plūstamība, kas atvieglo litija -jonu migrāciju.

Litija-jonu elektrolītiem paredzēto liesmu{0}}aizturošo piedevu veidi ir parādīti 7.-7. attēlā. Piedevām, ko lieto nelielos daudzumos, ir ievērojama ietekme, un tās ir ekonomiska un praktiska metode litija{5}}jonu akumulatoru veiktspējas uzlabošanai. Pievienojot litija-jonu akumulatoru elektrolītam nelielu devu piedevu, var īpaši uzlabot noteiktus akumulatora veiktspējas raksturlielumus, piemēram, atgriezenisko jaudu, elektrodu/elektrolītu savietojamību, cikla veiktspēju, ātruma veiktspēju un drošības veiktspēju, kam ir izšķiroša nozīme litija-jonu akumulatoros. Ideālai litija jonu akumulatora elektrolīta piedevai ir jābūt šādām četrām īpašībām:

1) Augsta šķīdība organiskajos šķīdinātājos.

2) Neliels daudzums var ievērojami uzlabot vienu vai vairākas darbības īpašības.

3) Nav kaitīgu blakusreakciju ar citām akumulatora sastāvdaļām, kas ietekmē akumulatora darbību.

4) Zemas izmaksas, netoksiskas vai zemas toksicitātes.

Pamatojoties uz to funkciju, piedevas var iedalīt vadošās piedevās, pārlādes aizsardzības piedevās, liesmu slāpējošās piedevās, SEI plēvi veidojošās piedevās, katoda materiālu aizsarglīdzekļos, LiPF6 stabilizatoros un citās funkcionālās piedevās.

Vadītspējīgas piedevas uzlabo litija{0}}jonu akumulatoru ātrumu, sadarbojoties ar elektrolītu joniem, veicinot litija sāls izšķīšanu un palielinot elektrolītu vadītspēju. Tā kā vadošās piedevas darbojas koordinācijas reakcijās, tās sauc arī par ligandu piedevām un tiek klasificētas anjonu ligandos, katjonu ligandos un neitrālos ligandos, pamatojoties uz mijiedarbības jonu.

Pārslodzes aizsardzības piedevas nodrošina aizsardzību pret pārlādēšanu vai uzlabo pārlādēšanas toleranci. Tās funkcionāli iedala redokspiedevās un monomēru piedevās. Pašlaik redoksu piedevas galvenokārt ir anizolu sērijas, kurām ir augsts redoksu potenciāls un laba šķīdība. Monomēru piedevās notiek polimerizācijas reakcijas zem augsta sprieguma, izdalot gāzes, un polimērs pārklāj katoda materiāla virsmu, pārtraucot uzlādi. Monomēru piedevas galvenokārt ietver aromātiskus savienojumus, piemēram, ksilolu un fenilcikloheksānu.

Liesmu slāpējošās piedevas darbojas, paaugstinot elektrolīta aizdegšanās punktu vai pārtraucot brīvo radikāļu ķēdes reakciju, kas kavē degšanu. To veidi ir parādīti 7. attēlā-8. Liesmas slāpētāju pievienošana ir viens no svarīgiem veidiem, kā samazināt elektrolīta uzliesmojamību, paplašināt litija jonu akumulatoru darbības temperatūras diapazonu un uzlabot to veiktspēju. Liesmas slāpētāju piedevu darbības mehānismi galvenokārt ir divi:

1) Izveidojot izolācijas slāni starp gāzes fāzi un kondensēto fāzi, tie novērš degšanu gan kondensācijas, gan gāzes fāzē.

2) Tie uztver brīvos radikāļus degšanas reakcijas procesā, pārtraucot brīvo radikāļu ķēdes reakciju, kas kavē degšanas reakcijas starp gāzes fāzēm.