Betekenis van lithium-ionbatterij-elektrolyt?

◆Wat zijn waterige elektrolyten?

◆Inleiding tot vaste elektrolyten

De elektrolyt, een onmisbaar onderdeel vanlithium-ionbatterijen, speelt een cruciale rol in de laad--ontlaadcycli van de batterij.

Het is niet alleen verantwoordelijk voor het efficiënte transport van lithiumionen en de geleiding van stroom, maar bezit ook elektronische isolatie-eigenschappen om directe elektronenstroom tussen de positieve en negatieve elektroden effectief te voorkomen. Figuurlijk gesproken is de elektrolyt als het 'bloed' in een lithium-ionbatterij, waardoor de connectiviteit tussen de positieve en negatieve elektrodematerialen wordt gewaarborgd, waardoor de soepele voortgang van het gehele laad-ontladingsproces wordt gegarandeerd.

Een ideale elektrolyt voor een lithium-ionbatterij moet aan de volgende vijf vereisten voldoen:

Met de steeds-toenemende vraag naar de energiedichtheid en vermogensdichtheid van batterijen ontwikkelt de batterijtechnologie zich snel en hebben elektrodematerialen enorme vooruitgang geboekt. Daarentegen is de ontwikkeling van elektrolytsystemen achtergebleven. Momenteel kan de ontwikkeling van elektrolyten uit lithium--ionbatterijen grofweg in drie typen worden ingedeeld: niet-waterige oplosmiddelelektrolyten, waterige elektrolyten en elektrolyten in vaste- toestand.

Niet-waterig oplosmiddelelektrolyt

 

Niet-waterige oplosmiddelelektrolyten in lithium--ionbatterijen verwijzen naar elektrolytsystemen die geen water bevatten en voornamelijk bestaan ​​uit oplosmiddelen, opgeloste stoffen (meestal lithiumzouten) en additieven. Deze niet-waterige oplosmiddelen zijn doorgaans organische oplosmiddelen, in plaats van waterige oplosmiddelen, om elektrolyse van water of nadelige reacties met elektrodematerialen te voorkomen. Lithiumzouten zijn de belangrijkste dragers voor het transport van lithium-ionen, oplosmiddelen dienen voor het oplossen, verspreiden en ondersteunen van lithiumzouten, en additieven dienen voornamelijk om de elektrochemische prestaties of veiligheid van lithium-ionbatterijen te verbeteren.

In de handel verkrijgbare elektrolyten (dwz vloeibare elektrolyten) die in lithium-ionbatterijen worden gebruikt, bestaan ​​voornamelijk uit een of meer lithiumzouten opgelost in twee of meer organische oplosmiddelen; Elektrolyten samengesteld uit één enkel oplosmiddel zijn zeer zeldzaam. De reden voor het gebruik van meerdere oplosmiddelen is dat batterijen in de echte-wereld verschillende, zelfs tegenstrijdige eisen stellen, waaraan moeilijk te voldoen is met één enkel oplosmiddel. Elektrolyten kunnen bijvoorbeeld een hoge vloeibaarheid vereisen terwijl ze ook een hoge diëlektrische constante hebben; daarom worden oplosmiddelen met verschillende fysisch-chemische eigenschappen vaak in combinatie gebruikt, waarbij ze tegelijkertijd verschillende kenmerken vertonen. Bovendien worden lithiumzouten over het algemeen niet gelijktijdig gebruikt omdat de keuze van lithiumzouten beperkt is en de voordelen ervan niet gemakkelijk duidelijk zijn.

Ideale organische oplosmiddelen zouden de volgende sleuteleigenschappen moeten bezitten: Ten eerste hebben ze een hoge diëlektrische constante nodig om een ​​goede oplossing van lithiumzouten te garanderen; ten tweede moeten ze een laag smeltpunt en een hoog kookpunt hebben om het bedrijfstemperatuurbereik van de elektrolyt te verbreden; ten derde helpt een lage viscositeit een efficiënte migratie van lithiumionen in het medium te bevorderen; en ten slotte moeten deze oplosmiddelen goedkoop zijn en een lage toxiciteit hebben (idealiter niet-giftig). Carbonaatverbindingen, een van de vroegste en meest gebruikte organische oplosmiddelen in de lithium--ionbatterijindustrie, nemen een cruciale positie in op het gebied van batterij-elektrolyten.

Momenteel omvat dit type oplosmiddel hoofdzakelijk twee structurele vormen: cyclisch en ketenvormig. De onderstaande tabel vat de relevante fysische parameters samen van verschillende veelgebruikte niet-waterige oplosmiddelen, elektrolyten en organische oplosmiddelen.

Momenteel worden alkylcarbonaatoplosmiddelen veel gebruikt in elektrolyten. Deze oplosmiddelen bezitten een goede oxidatieweerstand en vertonen een uitstekende stabiliteit onder hoogspanningsomstandigheden. Cyclische carbonaten, zoals ethyleencarbonaat en propyleencarbonaat, staan ​​bekend om hun hoge diëlektrische constanten, wat betekent dat ze lithiumzouten effectiever kunnen oplossen; Vanwege de sterke intermoleculaire krachten hebben deze oplosmiddelen echter een hoge viscositeit, wat de beweging van lithiumionen daarin vertraagt. Daarentegen hebben ketencarbonaten, zoals dimethylcarbonaat en diethylcarbonaat, hoewel ze een lagere viscositeit hebben, ook relatief lage diëlektrische constanten, wat resulteert in een relatief slechte oplosefficiëntie voor lithiumzouten. Om oplossingssystemen met superieure ionische geleidbaarheid te bereiden, worden daarom vaak verschillende soorten oplosmiddelen gemengd, zoals PC+DEC- of EC+DMC-combinaties. Lithiumzouten spelen als bron van lithiumionen in de elektrolyt een belangrijke rol bij het transport van lithium-ionionen tijdens het laad- en ontlaadproces van lithium-ionbatterijen. Hun prestaties hebben rechtstreeks invloed op veel aspecten van lithium-ionbatterijen, waaronder energiedichtheid, vermogensdichtheid, bedrijfsspanningsbereik, levensduur en veiligheid. Momenteel worden in laboratoriumonderzoek en industriële praktijk doorgaans lithiumzouten met grote anionische stralen en hoge redoxstabiliteit geselecteerd. Op basis van hun chemische samenstelling kunnen lithiumzouten grofweg in twee categorieën worden ingedeeld: anorganische lithiumzouten en organische lithiumzouten. Er zijn verschillende anorganische lithiumzouten ontwikkeld, waaronder LiPF6, LiClO4, LIBF en LIASF. Daarentegen worden veelgebruikte organische lithiumzouten in lithium-ionbatterijen geformuleerd door elektronen-zuigende groepen toe te voegen aan de anionen van deze anorganische lithiumzouten, zoals lithiumdioxalato-boraat (LiBOB), lithiumdifluoroxalato-boraat ([iODFB]), lithiumdifluorsulfonylimide (LiFSI) en lithium ditrifluormethylsulfonylimide (LTFSI). De onderstaande tabel toont de relevante fysisch-chemische eigenschappen van verschillende veelgebruikte lithiumzouten in lithium-ionbatterijen.

Additieven zijn stoffen die in lage concentraties (meestal niet meer dan 10 massaprocent) aan de elektrolyt worden toegevoegd en die specifieke functies hebben en de elektrochemische eigenschappen van de batterij aanzienlijk kunnen verbeteren. Op basis van hun functies kunnen deze additieven grofweg worden ingedeeld in verschillende categorieën: film-vormende additieven, vlamvertragers en additieven om overbelasting te voorkomen. Daarnaast worden er additieven gebruikt om de geleidbaarheid te verbeteren, de prestaties bij lage- temperatuuromstandigheden te optimaliseren of sporenhoeveelheden en HF-concentraties in de elektrolytoplossing te controleren.