რა არის ელექტროლიტი ლითიუმის ბატარეაში?

რა არის ელექტროლიტი ლითიუმის ბატარეაში?

ელექტროლიტი

ლითიუმის-იონური ბატარეის ელექტროლიტი არის ბატარეის იონების გადამზიდავი. ის ძირითადად შედგება ლითიუმის მარილებისგან, ორგანული გამხსნელებისა და დანამატებისგან, როგორც ნაჩვენებია 7-ე სურათზე-4. ელექტროლიტი გადამწყვეტ როლს ასრულებს ლითიუმის-იონური ბატარეის დადებით და უარყოფით ელექტროდებს შორის იონების გამტარობაში, რაც უზრუნველყოფს მის უპირატესობებს, როგორიცაა მაღალი ძაბვა და მაღალი სპეციფიკური ენერგია. ელექტროლიტები, როგორც წესი, მზადდება სპეციფიკურ პირობებში და სპეციფიკურ პროპორციებში მაღალი სისუფთავის ორგანული გამხსნელების, ლითიუმის მარილებისა და აუცილებელი დანამატებისგან. მიუხედავად იმისა, რომ ელექტროდის მასალები განსაზღვრავენ ბატარეის ენერგიის სიმკვრივეს, ელექტროლიტი ფუნდამენტურად განსაზღვრავს მის ციკლის ხანგრძლივობას, მაღალ და დაბალ ტემპერატურაზე მუშაობას და უსაფრთხოებას. ელექტროლიტის ძირითადი შემადგენლობა შედარებით უცვლელი რჩება; ინოვაცია ძირითადად მდგომარეობს ახალი ლითიუმის მარილების და დანამატების შემუშავებაში, ასევე ლითიუმ-იონურ ბატარეებში ჩართული ინტერფეისური ქიმიური პროცესებისა და მექანიზმების ღრმა გაგებაში.

ლითიუმის მარილების მრავალი სახეობა არსებობს, როგორც ნაჩვენებია სურათზე 7-5, მაგრამ ძალიან ცოტაა გამოყენებული კომერციულად ხელმისაწვდომ ლითიუმ-იონურ ბატარეებში. იდეალური ლითიუმის მარილს უნდა ჰქონდეს შემდეგი თვისებები:

1) დაბალი ასოცირების ხარისხი, ადვილად ხსნადი ორგანულ გამხსნელებში, რაც უზრუნველყოფს ელექტროლიტის მაღალ იონურ გამტარობას.

2) ანიონები ანტიოქსიდანტური და შემცირების წინააღმდეგობით; შემცირების პროდუქტები ხელს უწყობს სტაბილური, დაბალი-რეზისტენტობის SEI ფილმის ფორმირებას.

3) კარგი ქიმიური სტაბილურობა, ელექტროდის მასალებთან, ელექტროლიტებთან ან გამყოფებთან მავნე გვერდითი რეაქციების გამოწვევის გარეშე.

4) მარტივი მომზადების პროცესი, დაბალი ღირებულება, არატოქსიკური და დაბინძურების-უფასო.

LiPF6 არის ყველაზე ფართოდ გამოყენებული ლითიუმის მარილი. მიუხედავად იმისა, რომ მისი ინდივიდუალური თვისებები არ არის ყველაზე გამორჩეული, იგი ავლენს შედარებით ოპტიმალურ ეფექტურობას კარბონატის შერეული გამხსნელების ელექტროლიტებში. LiPF6-ს აქვს შემდეგი ძირითადი უპირატესობები:

1) შესაფერისი ხსნადობა და მაღალი იონური გამტარობა არა-წყლიან გამხსნელებში.

2) მას შეუძლია შექმნას სტაბილური პასივაციური ფილმი ალუმინის ფოლგის დენის კოლექტორების ზედაპირზე.

3) ის სინერგიულად აყალიბებს სტაბილურ SEI ფილას გრაფიტის ელექტროდის ზედაპირზე კარბონატული გამხსნელებით.

თუმცა, LiPF6-ს აქვს ცუდი თერმული სტაბილურობა და მიდრეკილია დაშლის რეაქციებისკენ. ქვეპროდუქტებმა შეიძლება დააზიანოს SEI ფილმი ელექტროდის ზედაპირზე, დაშალოს ელექტროდის დადებითი აქტიური კომპონენტები და გამოიწვიოს სიმძლავრის დაქვეითება ველოსიპედის დროს.

LiBF ასევე ხშირად გამოიყენება ლითიუმის მარილის დანამატი. LiPF6-თან შედარებით, LiBF-ს აქვს უფრო ფართო ოპერაციული ტემპერატურის დიაპაზონი, უკეთესი მაღალი-ტემპერატურული სტაბილურობა და უმაღლესი დაბალი-ტემპერატურული შესრულება. LiBF-ს აქვს მაღალი გამტარობა, ფართო ელექტროქიმიური ფანჯარა და კარგი თერმული სტაბილურობა. მისი უდიდესი უპირატესობა ფირის{{6}ფორმირების თვისებებშია, რადგან მას შეუძლია უშუალო მონაწილეობა მიიღოს SEI ფილმის ფორმირებაში.

სტრუქტურულად, LiDFOB შედგება LiBOB-ისა და LiBF-ის ნახევარი-მოლეკულებისგან, რომელიც აერთიანებს LiBOB-ის კარგი ფირის-ფორმირების თვისებების და LiBF4-ის კარგი დაბალი-ტემპერატურული მუშაობის უპირატესობებს. LiBOB-თან შედარებით, LiDFOB-ს აქვს უფრო მაღალი ხსნადობა ხაზოვან კარბონატულ გამხსნელებში და უფრო მაღალი ელექტროლიტების გამტარობა. მისი მაღალი-ტემპერატურის და დაბალი-ტემპერატურული შესრულება უკეთესია, ვიდრე LiPF4, და მას აქვს კარგი თავსებადობა ბატარეის კათოდთან, ქმნის პასივაციურ ფენას ალუმინის ფოლგის ზედაპირზე და აფერხებს ელექტროლიტების დაჟანგვას.

CF3SO2 ჯგუფებს LiTFSI სტრუქტურაში აქვთ ელექტრონის-გამყვანის ძლიერი ეფექტი, რაც ამძაფრებს უარყოფითი მუხტის დელოკალიზაციას და ამცირებს იონების ასოციაციის დაწყვილებას, რაც იწვევს მარილის მაღალ ხსნადობას. გარდა ამისა, LiTFSI-ს აქვს მაღალი ელექტრული გამტარობა, მაღალი თერმული დაშლის ტემპერატურა და ადვილად არ ჰიდროლიზდება; თუმცა, ის ძლიერ კოროზიას მოახდენს ალუმინის დენის კოლექტორებს 3,7 ვ-ზე მეტი ძაბვის დროს.

LiFSI მოლეკულაში ფტორის ატომებს აქვთ ძლიერი ელექტრონის-გამომზიდვის თვისებები, რაც ახდენს N-ზე უარყოფითი მუხტის დელოკალიზაციას, რის შედეგადაც ხდება სუსტი იონური ასოციაცია და Li+-ის მარტივი დისოციაცია, რაც იწვევს მაღალ გამტარობას.

LiPO2F2 ავლენს კარგ დაბალ-ტემპერატურულ მუშაობას და ასევე აუმჯობესებს ელექტროლიტის მაღალ-ტემპერატურულ მუშაობას. როგორც დანამატი, მას შეუძლია შექმნას LixPOyFz-ით და LiF-ით მდიდარი SEI ფილმი უარყოფითი ელექტროდის ზედაპირზე, რაც ხელს უწყობს ბატარეის ინტერფეისის წინაღობის შემცირებას და ბატარეის ციკლის მუშაობის გაუმჯობესებას. თუმცა, LiPO2F2 ასევე განიცდის დაბალი ხსნადობას.

მთავარი კომპონენტითხევადი ელექტროლიტიარის ორგანული გამხსნელი, რომელიც ხსნის ლითიუმის მარილებს და უზრუნველყოფს ლითიუმის იონების გადამტანს. იდეალური ორგანული გამხსნელი ლითიუმის-იონური ბატარეის ელექტროლიტისთვის უნდა აკმაყოფილებდეს შემდეგ პირობებს:

1) მაღალი დიელექტრიკული მუდმივი და ლითიუმის მარილების ძლიერი დაშლის უნარი.

2) დაბალი დნობის წერტილი და მაღალი დუღილის წერტილი, თხევადი მდგომარეობის შენარჩუნება ფართო ტემპერატურის დიაპაზონში.

3) დაბალი სიბლანტე, ხელს უწყობს ლითიუმის-იონის ტრანსპორტირებას.

4) კარგი ქიმიური სტაბილურობა, არ აზიანებს დადებით და უარყოფით ელექტროდის სტრუქტურას და არ ხსნის დადებით და უარყოფით ელექტროდის მასალებს.

5) მაღალი აალების წერტილი, კარგი უსაფრთხოება, დაბალი ღირებულება, არატოქსიკური და არა-დაბინძურებული.

ლითიუმის-იონური ბატარეის ელექტროლიტებში გამოყენებული ჩვეულებრივი ორგანული გამხსნელები ძირითადად იყოფა კარბონატულ და ორგანულ ეთერის გამხსნელებად, როგორც ნაჩვენებია სურათზე 7-6. მაღალი-ლითიუმ-იონური ბატარეის ელექტროლიტის მისაღებად, ჩვეულებრივ გამოიყენება შერეული გამხსნელი, რომელიც შეიცავს ორ ან მეტ ორგანულ გამხსნელს, რაც მათ საშუალებას აძლევს შეავსონ ერთმანეთი და მიაღწიონ უკეთეს ეფექტურობას. ჩვეულებრივი კარბონატული გამხსნელების ფიზიკური თვისებები ნაჩვენებია ცხრილში 7-1.

ცხრილი 7-1 ჩვეულებრივი კარბონატული გამხსნელების ფიზიკური თვისებები

ორგანული ეთერის გამხსნელები ძირითადად მოიცავს ჯაჭვის ეთერებს, როგორიცაა 1,2-დიმეთოქსიპროპანი (DMP), დიმეთოქსიმეთანი (DMM) და ეთილენგლიკოლის დიმეთილის ეთერი (DME) და ციკლურ ეთერებს, როგორიცაა ტეტრაჰიდროფურანი (THF) და 2-მეთოქსიპროპანი (2- მეთჰილტრა). ჯაჭვის ეთერის გამხსნელებისთვის, რაც უფრო გრძელია ნახშირბადის ჯაჭვი, მით უკეთესია ქიმიური სტაბილურობა, მაგრამ რაც უფრო მაღალია სიბლანტე და მით უფრო დაბალია ლითიუმ-იონის მიგრაციის სიჩქარე. ეთილენ გლიკოლის დიმეთილ ეთერს შეუძლია შექმნას შედარებით სტაბილური ქელატი (LiPF6·DME) ლითიუმის ჰექსაფტოროფოსფატთან ერთად, რომელიც ავლენს ლითიუმის მარილების ძლიერ დაშლის ძალას და იწვევს ელექტროლიტების მაღალ გამტარობას. თუმცა, DME-ს აქვს ცუდი ქიმიური სტაბილურობა და არ შეუძლია შექმნას სტაბილური პასივაციური ფილმი უარყოფითი ელექტროდის მასალის ზედაპირზე.

კარბონატის გამხსნელებში შედის ციკლური კარბონატები, როგორიცაა პროპილენ კარბონატი (PC) და ეთილენ კარბონატი (EC), და ჯაჭვის კარბონატები, როგორიცაა დიმეთილ კარბონატი (DMC), დიეთილის კარბონატი (DEC) და მეთილის ეთილის კარბონატი (EMC). ციკლურ კარბონატებს აქვთ მაღალი დიელექტრიკული მუდმივი, რაც ლითიუმის მარილებს უფრო ხსნადს ხდის, მაგრამ მათ ასევე აქვთ მაღალი სიბლანტე, რაც იწვევს ლითიუმის-იონის მიგრაციის დაბალ სიჩქარეს. ჯაჭვის კარბონატებს აქვთ დაბალი დიელექტრიკული მუდმივი და სუსტი ლითიუმის მარილის ხსნადობა, მაგრამ დაბალი სიბლანტე და კარგი გამტარიანობა, რაც ხელს უწყობს ლითიუმის-იონის მიგრაციას.

ლითიუმის-იონური ელექტროლიტების ალი-შემნელებელი დანამატების ტიპები ნაჩვენებია სურათზე 7-7. დანამატებს, რომლებიც გამოიყენება მცირე რაოდენობით, აქვთ მნიშვნელოვანი ეფექტი და წარმოადგენს ეკონომიურ და პრაქტიკულ მეთოდს ლითიუმ-იონური ბატარეების მუშაობის გასაუმჯობესებლად. ლითიუმის-იონური ბატარეების ელექტროლიტზე დანამატების მცირე დოზით დამატებით შეიძლება კონკრეტულად გაუმჯობესდეს ბატარეის მუშაობის გარკვეული მახასიათებლები, როგორიცაა შექცევადი სიმძლავრე, ელექტროდი/ელექტროლიტის თავსებადობა, ციკლის შესრულება, სიჩქარის შესრულება და უსაფრთხოების შესრულება, რაც გადამწყვეტ როლს ასრულებს ლითიუმ-იონურ ბატარეებში. იდეალური ლითიუმ-იონური ბატარეის ელექტროლიტური დანამატი უნდა ჰქონდეს შემდეგი ოთხი მახასიათებელი:

1) მაღალი ხსნადობა ორგანულ გამხსნელებში.

2) მცირე რაოდენობას შეუძლია მნიშვნელოვნად გააუმჯობესოს ერთი ან მეტი შესრულების მახასიათებელი.

3) არ არის მავნე გვერდითი რეაქციები ბატარეის სხვა კომპონენტებთან, რომლებიც გავლენას ახდენენ ბატარეის მუშაობაზე.

4) დაბალი ღირებულება, არატოქსიკური ან დაბალი ტოქსიკურობა.

მათი ფუნქციიდან გამომდინარე, დანამატები შეიძლება დაიყოს გამტარ დანამატებად, გადატენვისგან დამცავ დანამატებად, ცეცხლგამძლე დანამატებად, SEI ფირის{{0}ფორმირების დანამატებად, კათოდური მასალის დამცავ საშუალებებად, LiPF6 სტაბილიზატორებად და სხვა ფუნქციურ დანამატებად.

გამტარი დანამატები აუმჯობესებენ ლითიუმის-იონური ბატარეების სიჩქარეს ელექტროლიტების იონებთან კოორდინირებით, ლითიუმის მარილის დაშლის ხელშეწყობით და ელექტროლიტების გამტარობის გაზრდით. იმის გამო, რომ გამტარ დანამატები მუშაობენ კოორდინაციის რეაქციების საშუალებით, მათ ასევე უწოდებენ ლიგანდის დანამატებს და კლასიფიცირდება ანიონურ ლიგანდებად, კატიონურ ლიგანდებად და ნეიტრალურ ლიგანდებად ურთიერთქმედების იონის საფუძველზე.

გადატვირთვის დამცავი დანამატები უზრუნველყოფს დაცვას გადატვირთვისაგან ან აძლიერებს გადატვირთვის ტოლერანტობას. ისინი ფუნქციურად იყოფა რედოქს დანამატებად და მონომერულ დანამატებად. ამჟამად რედოქს დანამატები ძირითადად არის ანისოლური სერიები, რომლებსაც აქვთ მაღალი რედოქს პოტენციალი და კარგი ხსნადობა. მონომერული დანამატები განიცდიან პოლიმერიზაციის რეაქციებს მაღალი ძაბვის პირობებში, ათავისუფლებენ აირებს და პოლიმერი ფარავს კათოდის მასალის ზედაპირს, წყვეტს დამუხტვას. მონომერული დანამატები ძირითადად შეიცავს არომატულ ნაერთებს, როგორიცაა ქსილენი და ფენილციკლოჰექსანი.

ცეცხლგამძლე დანამატები ფუნქციონირებს ელექტროლიტის აალების წერტილის ამაღლებით ან თავისუფალი რადიკალების ჯაჭვის რეაქციის შეწყვეტით, რომელიც აფერხებს წვას. მათი ტიპები ნაჩვენებია სურათზე 7-8. აალებადი საშუალებების დამატება ელექტროლიტის აალებადი შემცირების, ლითიუმ-იონური ბატარეების მუშაობის ტემპერატურის დიაპაზონის გაფართოებისა და მათი მუშაობის გასაუმჯობესებლად ერთ-ერთი მნიშვნელოვანი გზაა. ცეცხლგამძლე დანამატების მოქმედების მექანიზმი ძირითადად ორგვარია:

1) აირის ფაზასა და შედედებულ ფაზას შორის საიზოლაციო ფენის შექმნით ისინი ხელს უშლიან წვას როგორც შედედებულ, ასევე გაზის ფაზაში.

2) ისინი იჭერენ თავისუფალ რადიკალებს წვის რეაქციის პროცესში, წყვეტენ თავისუფალ რადიკალების ჯაჭვურ რეაქციას, რომელიც აფერხებს წვის რეაქციებს გაზის ფაზებს შორის.