Vad betyder litium-jonbatterielektrolyt?

◆Vad är vattenhaltiga elektrolyter?

◆Introduktion till fasta elektrolyter

Elektrolyten, en oumbärlig komponent avlitium-jonbatterier, spelar en avgörande roll i batteriets laddnings-urladdningscykler.

Det är inte bara ansvarigt för den effektiva transporten av litiumjoner och strömledning, utan har också elektroniska isoleringsegenskaper för att effektivt förhindra direkt elektronflöde mellan de positiva och negativa elektroderna. Bildligt talat är elektrolyten som "blodet" inuti ett litium-jonbatteri, vilket säkerställer anslutningen mellan de positiva och negativa elektrodmaterialen, och garanterar därigenom en smidig utveckling av hela laddningsprocessen-.

En idealisk elektrolyt för ett litium-jonbatteri bör uppfylla följande fem krav:

Med de ständigt-ökande kraven på batteriets energitäthet och effekttäthet, utvecklas batteritekniken snabbt och elektrodmaterial har gjort enorma framsteg. Däremot har utvecklingen av elektrolytsystem släpat efter. För närvarande kan utvecklingen av litium-jonbatterielektrolyter grovt delas in i tre typer: icke-vattenhaltiga lösningsmedelselektrolyter, vattenhaltiga elektrolyter och fast-elektrolyter.

Icke-vattenhaltig lösningsmedelselektrolyt

 

Icke-vattenhaltiga lösningsmedelselektrolyter i litium-jonbatterier avser elektrolytsystem som inte innehåller vatten, huvudsakligen bestående av lösningsmedel, lösta ämnen (vanligtvis litiumsalter) och tillsatser. Dessa icke-vattenhaltiga lösningsmedel är vanligtvis organiska lösningsmedel, snarare än vattenhaltiga lösningsmedel, för att undvika elektrolys av vatten eller negativa reaktioner med elektrodmaterial. Litiumsalter är de primära bärarna för litium-jontransport, lösningsmedel fungerar som upplösning, dispergering och stöd för litiumsalter, och tillsatser fungerar främst för att förbättra den elektrokemiska prestandan eller säkerheten hos litium-jonbatterier.

Kommersiellt tillgängliga elektrolyter (dvs. flytande elektrolyter) som används i litium-jonbatterier består huvudsakligen av ett eller flera litiumsalter lösta i två eller flera organiska lösningsmedel; elektrolyter som består av ett enda lösningsmedel är mycket sällsynta. Anledningen till att använda flera lösningsmedel är att batterier från verkliga-världen har olika, till och med motsägelsefulla, krav som är svåra att uppfylla med ett enda lösningsmedel. Till exempel kan elektrolyter kräva hög fluiditet samtidigt som de har en hög dielektricitetskonstant; därför används ofta lösningsmedel med olika fysikalisk-kemiska egenskaper i kombination, som uppvisar olika egenskaper samtidigt. Dessutom används i allmänhet inte litiumsalter samtidigt eftersom urvalet av litiumsalter är begränsat och deras fördelar är inte lätta att uppenbara.

Idealiska organiska lösningsmedel bör ha följande nyckelegenskaper: För det första behöver de en hög dielektricitetskonstant för att säkerställa god upplösning av litiumsalter; för det andra bör de ha en låg smältpunkt och en hög kokpunkt för att bredda elektrolytens driftstemperaturområde; för det tredje hjälper låg viskositet till att främja effektiv migration av litiumjoner i mediet; och slutligen bör dessa lösningsmedel vara billiga och ha låg toxicitet (helst icke-toxiska). Karbonatföreningar, som ett av de tidigaste och mest använda organiska lösningsmedlen inom litium-jonbatteriindustrin, intar en avgörande ställning inom batterielektrolyter.

För närvarande inkluderar denna typ av lösningsmedel huvudsakligen två strukturella former: cyklisk och kedja. Tabellen nedan sammanfattar de relevanta fysikaliska parametrarna för flera vanligt använda icke-vattenhaltiga lösningsmedel, elektrolyter och organiska lösningsmedel.

För närvarande används alkylkarbonatlösningsmedel i stor utsträckning i elektrolyter. Dessa lösningsmedel har god oxidationsbeständighet och uppvisar utmärkt stabilitet under högspänningsförhållanden. Cykliska karbonater, såsom etylenkarbonat och propylenkarbonat, är kända för sina höga dielektriska konstanter, vilket innebär att de kan lösa upp litiumsalter mer effektivt; Men på grund av starka intermolekylära krafter har dessa lösningsmedel hög viskositet, vilket saktar ner rörelsen av litiumjoner inom dem. Däremot har kedjekarbonater, såsom dimetylkarbonat och dietylkarbonat, även om de har lägre viskositet, även relativt låga dielektriska konstanter, vilket resulterar i relativt dålig upplösningseffektivitet för litiumsalter. Därför, för att framställa lösningssystem med överlägsen jonkonduktivitet, blandas ofta olika typer av lösningsmedel, såsom PC+DEC eller EC+DMC-kombinationer. Litiumsalter, som källan till litiumjoner i elektrolyten, spelar en viktig roll i litium-jontransporten under laddning och urladdning av litium-jonbatterier. Deras prestanda påverkar direkt många aspekter av litium{10}jonbatterier, inklusive energitäthet, effekttäthet, driftspänningsområde, livslängd och säkerhet. För närvarande, i laboratorieforskning och industriell praxis, väljs vanligtvis litiumsalter med stora anjoniska radier och hög redoxstabilitet. Baserat på deras kemiska sammansättning kan litiumsalter brett klassificeras i två kategorier: oorganiska litiumsalter och organiska litiumsalter. Flera oorganiska litiumsalter har utvecklats, inklusive LiPF6, LiClO4, LIBF och LIASF. Däremot är vanligt använda organiska litiumsalter i litium-jonbatterier formulerade genom att tillföra elektron-åtdragande grupper till anjonerna av dessa oorganiska litiumsalter, såsom litiumdioxalato-borat (LiBOB), litiumdifluoroxalato{],[ODlimifluoro-difluoro{],[ODlimifluoro-difluorid,[20}} (LiFSI) och litiumditrifluoromethylsulfonylimide (LTFSI). Tabellen nedan visar de relevanta fysikalisk-kemiska egenskaperna hos flera vanligt använda litiumsalter i litium-jonbatterier.

Tillsatser är ämnen som tillsätts till elektrolyten i låga koncentrationer (vanligen inte mer än 10 viktprocent) som har specifika funktioner och avsevärt kan förbättra batteriets elektrokemiska egenskaper. Baserat på deras funktioner kan dessa tillsatser brett klassificeras i flera kategorier: filmbildande tillsatser, flamskyddsmedel och tillsatser för att förhindra överladdning. Dessutom finns det tillsatser som används för att förbättra konduktiviteten, optimera prestanda under låga-temperaturförhållanden eller kontrollera spårmängder och HF-koncentrationer i elektrolytlösningen.