Kio estas la elektrolito en litia kuirilaro?

Kio estas la elektrolito en litia kuirilaro?

elektrolito

La elektrolito en litia-jona baterio estas la portanto de jonoj en la baterio. Ĝi estas ĝenerale kunmetita de litiaj saloj, organikaj solviloj kaj aldonaĵoj, kiel montrite en Figuro 7-4. La elektrolito ludas decidan rolon en kondukado de jonoj inter la pozitivaj kaj negativaj elektrodoj de litio-jona baterio, certigante ĝiajn avantaĝojn kiel alta tensio kaj alta specifa energio. Elektrolitoj estas tipe preparitaj sub specifaj kondiĉoj kaj en specifaj proporcioj de alt-purecaj organikaj solviloj, litiosaloj, kaj necesaj aldonaĵoj. Dum elektrodaj materialoj determinas la energian densecon de la baterio, la elektrolito esence determinas sian ciklovivon, altan kaj malaltan temperaturon kaj sekurecon. La baza konsisto de la elektrolito restas relative senŝanĝa; novigado ĉefe kuŝas en la evoluo de novaj litiaj saloj kaj aldonaĵoj, same kiel pli profunda kompreno de la intervizaĝaj kemiaj procezoj kaj mekanismoj implikitaj en litiojonaj baterioj.

Estas multaj specoj de litiaj saloj, kiel montrite en Figuro 7-5, sed tre malmultaj estas uzataj en komerce disponeblaj litiojonaj baterioj. Ideala litia salo devus posedi la jenajn ecojn:

1) Malalta grado de asocio, facile solvebla en organikaj solviloj, certigante altan jonan konduktivecon de la elektrolito.

2) Anjonoj kun antioksidanto kaj redukta rezisto; reduktaj produktoj faciligas la formadon de stabila, malalta-rezista SEI-filmo.

3) Bona kemia stabileco, sen kaŭzi malutilajn flankajn reagojn kun elektrodaj materialoj, elektrolitoj aŭ apartigiloj.

4) Simpla preparprocezo, malmultekosta, ne-toksa kaj senpura-.

LiPF6 estas la plej uzata litia salo. Dum ĝiaj individuaj trajtoj ne estas ĝiaj plej elstaraj, ĝi elmontras relative optimuman totalan efikecon en karbonatmiksitaj solventaj elektrolitoj. LiPF6 havas la sekvajn ĉefajn avantaĝojn:

1) Taŭga solvebleco kaj alta jona kondukteco en ne-akvaj solviloj.

2) Ĝi povas formi stabilan pasivan filmon sur la surfaco de aluminiaj foliaj nunaj kolektantoj.

3) Ĝi sinergie formas stabilan SEI-filmon sur la grafita elektrodsurfaco kun karbonitaj solviloj.

Tamen, LiPF6 havas malbonan termikan stabilecon kaj estas ema al putriĝoreagoj. Kromproduktoj povas difekti la SEI-filmon sur la elektrodsurfaco, dissolvi la pozitivajn elektrodajn aktivajn komponentojn, kaj konduki al kapacito dekadenco dum biciklado.

LiBF ankaŭ estas ofte uzata litia sala aldonaĵo. Kompare al LiPF6, LiBF havas pli larĝan funkcian temperaturon, pli bonan altan -temperaturan stabilecon kaj pli bonan malalt-temperaturan rendimenton. LiBF posedas altan konduktivecon, larĝan elektrokemian fenestron kaj bonan termikan stabilecon. Ĝia plej granda avantaĝo kuŝas en siaj filmo-formaj propraĵoj, ĉar ĝi povas rekte partopreni en la formado de la SEI-filmo.

Strukture, LiDFOB estas kunmetita de duon-molekuloj de LiBOB kaj LiBF, kombinante la avantaĝojn de bona filmo-formanta propraĵoj de LiBOB kaj la bona malalt-temperatura rendimento de LiBF4. Kompare kun LiBOB, LiDFOB havas pli altan solveblecon en linearaj karbonitaj solviloj kaj pli alta elektrolita konduktiveco. Ĝia alta-temperaturo kaj malalta-temperatura rendimento estas pli bona ol LiPF4, kaj ĝi havas bonan kongruon kun la bateria katodo, formante pasivan filmon sur la aluminia folio surfaco kaj malhelpante elektrolitan oksidadon.

La CF₃SO₂-grupoj en la LiTFSI-strukturo havas fortan elektron-retiran efikon, kiu plimalbonigas la mallokigon de la negativa ŝargo kaj reduktas jonasocipariĝon, rezultigante altan solveblecon de la salo. Krome, LiTFSI havas altan elektran konduktivecon, altan termikan putriĝotemperaturon, kaj ne estas facile hidrolizita; tamen, ĝi severe korodos aluminiajn kurentkolektantojn ĉe tensioj super 3.7V.

La fluoraj atomoj en la LiFSI-molekulo havas fortajn elektronon--retirajn ecojn, kiuj mallokigas la negativan ŝargon sur N, rezultigante malfortan jonan asocion kaj facilan disociiĝon de Li+, tiel kondukante al alta kondukteco.

LiPO2F2 elmontras bonan malalt-temperaturan rendimenton kaj ankaŭ plibonigas la alt-temperaturan rendimenton de la elektrolito. Kiel aldonaĵo, ĝi povas formi SEI-filmon riĉan je LixPOyFz kaj LiF sur la negativa elektroda surfaco, kiu helpas redukti la interfacan impedancon de bateriaj kaj plibonigi la rendimenton de la bateria ciklo. Tamen, LiPO2F2 ankaŭ suferas de malalta solvebleco.

La ĉefa komponanto de lalikva elektrolitoestas la organika solvilo, kiu solvas litiajn salojn kaj disponigas portanton por litiojonoj. Ideala organika solvilo por litia-jona baterioelektrolito devas plenumi la jenajn kondiĉojn:

1) Alta dielektrika konstanta kaj forta solva kapablo por litiaj saloj.

2) Malalta fandpunkto kaj alta bolpunkto, konservante likvan staton en larĝa temperaturo.

3) Malalta viskozeco, faciligante transporton de litio-jono.

4) Bona kemia stabileco, ne damaĝas la pozitivan kaj negativan elektrodan strukturon aŭ solvas la pozitivajn kaj negativajn elektrodajn materialojn.

5) Alta flampunkto, bona sekureco, malalta kosto, ne-toksa kaj ne-malpuriga.

Oftaj organikaj solviloj uzataj en litio-jonaj baterioelektrolitoj estas plejparte dividitaj en karbonajn solvilojn kaj organikajn eterajn solvilojn, kiel montrite en Figuro 7-6. Por akiri alt-efikecan litijonan baterioelektroliton, miksita solvilo enhavanta du aŭ pli da organikaj solviloj estas kutime uzata, permesante al ili kompletigi unu la alian kaj atingi pli bonan totalan efikecon. La fizikaj propraĵoj de oftaj karbonitaj solviloj estas montritaj en Tabelo 7-1.

Tabelo 7-1 Fizikaj Propraĵoj de Oftaj Karbonataj Solvaĵoj

Organikaj etersolviloj plejparte inkluzivas ĉenajn eterojn kiel ekzemple 1,2-dimetoksipropano (DMP), dimetoksimetano (DMM), kaj etilenglikola dimetiletero (DME), kaj ciklajn eterojn kiel ekzemple tetrahidrofurano (THF) kaj 2{-metiltetrahidrofurano (2-{6}}metiltetrahidrofurano (2-{6}} THF). Por ĉenaj etersolviloj, ju pli longa estas la karbonĉeno, des pli bona estas la kemia stabileco, sed ju pli alta la viskozeco kaj des pli malalta la litio-jona migrada indico. Etilenglikola dimetiletero povas formi relative stabilan kelaton (LiPF6·DME) kun litia heksafluorofosfato, elmontrante fortan dissolvan potencon por litiaj saloj kaj rezultigante altan elektrolitan konduktivecon. Tamen, DME havas malbonan kemian stabilecon kaj ne povas formi stabilan pasivigan filmon sur la surfaco de la negativa elektrodmaterialo.

Karbonatsolvoj inkludas ciklajn karbonatojn kiel ekzemple propilenkarbonato (komputilo) kaj etilenkarbonato (EC), kaj ĉenkarbonatojn kiel ekzemple dimetilkarbonato (DMC), dietilkarbonato (DEC), kaj metiletilkarbonato (EMC). Ciklaj karbonatoj havas altan dielektrikan konstanton, igante litiajn salojn pli solveblaj, sed ili ankaŭ havas altan viskozecon, rezultigante pli malaltan migradrapidecon de litio-jono. Ĉenkarbonatoj havas malaltan dielektrikan konstanton kaj malfortan litian salosolveblecon, sed malaltan viskozecon kaj bonan flueblecon, faciligante litijon-migradon.

La specoj de flamo-aldonaĵoj por litio-jonaj elektrolitoj estas montritaj en Figuro 7-7. Aldonaĵoj, uzataj en malgrandaj kvantoj, havas signifajn efikojn kaj estas ekonomia kaj praktika metodo por plibonigi la rendimenton de litio-jonaj kuirilaroj. Aldonante malgrandan dozon de aldonaĵoj al la elektrolito de litio-jonaj kuirilaroj, certaj baterio-efikeckarakterizaĵoj povas esti specife plibonigitaj, kiel ekzemple reigebla kapacito, elektrodo/elektrolita kongruo, ciklo-efikeco, ritmo-efikeco kaj sekureca efikeco, ludante decidan rolon en litio--jonbaterioj. Ideala litio-jona baterio elektrolita aldonaĵo devus posedi la sekvajn kvar karakterizaĵojn:

1) Alta solvebleco en organikaj solviloj.

2) Malgranda kvanto povas signife plibonigi unu aŭ pli da agado-karakterizaĵoj.

3) Neniuj malutilaj flankaj reagoj kun aliaj bateriaj komponantoj, kiuj influas baterian rendimenton.

4) Malalta kosto, ne-toksa aŭ malalta tokseco.

Surbaze de sia funkcio, aldonaĵoj povas esti klasifikitaj en konduktajn aldonaĵojn, superŝarĝajn protektajn aldonaĵojn, kontraŭflamajn aldonaĵojn, SEI-filmajn-formantajn aldonaĵojn, katodajn materialajn protektantojn, LiPF6-stabiligilojn kaj aliajn funkciajn aldonaĵojn.

Konduktaj aldonaĵoj plibonigas la rapidecan rendimenton de litio-jonaj kuirilaroj kunordigante kun elektrolitjonoj, antaŭenigante litian salo-dissolvon kaj pliigante elektrolitkonduktivecon. Ĉar konduktaj aldonaĵoj funkcias per kunordigaj reagoj, ili ankaŭ estas nomitaj Perantaldonaĵoj, kaj estas klasifikitaj en anjonajn Perantojn, katjonajn Perantojn, kaj neŭtrajn Perantojn bazitajn sur la interrilatanta jono.

Superŝarĝaj protektaj aldonaĵoj provizas superŝarĝan protekton aŭ plibonigas superŝarĝan toleremon. Ili estas funkcie klasifikitaj en redoksajn aldonaĵojn kaj monomeraldonaĵojn. Nuntempe, redox-aldonaĵoj estas ĉefe anisolaj serioj, kiuj havas altajn redox-potencialojn kaj bonan solveblecon. Monomeraldonaĵoj spertas polimerigajn reagojn sub alta tensio, liberigante gasojn, kaj la polimero kovras la katodan materialan surfacon, interrompante ŝargadon. Monomeraldonaĵoj plejparte inkludas aromajn kunmetaĵojn kiel ekzemple xileno kaj fenilcikloheksano.

Fajrrezistaj aldonaĵoj funkcias levante la ekbruligan punkton de la elektrolito aŭ ĉesigante la liberan radikalan ĉenreakcion kiu malhelpas bruligadon. Iliaj tipoj estas montritaj en Figuro 7-8. Aldoni kontraŭflamojn estas unu el la gravaj manieroj redukti la flamiĝemon de la elektrolito, plilarĝigi la funkcian temperaturon de litio-jonaj kuirilaroj kaj plibonigi ilian agadon. La mekanismoj de ago de flamrezistaj aldonaĵoj estas plejparte duoblaj:

1) Kreante izolan tavolon inter la gasfazo kaj la kondensita fazo, ili malhelpas bruladon en ambaŭ la kondensita kaj gasa fazo.

2) Ili kaptas liberajn radikalojn dum la brulreaga procezo, finante la liberan radikalan ĉenreakcion kiu malhelpas brulreagojn inter la gasfazoj.