Mitä elektrolyyttiä on litiumakussa?

Mitä elektrolyyttiä on litiumakussa?

elektrolyyttiä

Litium{0}}ioniakun elektrolyytti on ionien kantaja akussa. Se koostuu yleensä litiumsuoloista, orgaanisista liuottimista ja lisäaineista, kuten kuvassa 7-4 esitetään. Elektrolyytillä on ratkaiseva rooli ionien johtamisessa litium--ioniakun positiivisten ja negatiivisten elektrodien välillä, mikä varmistaa sen edut, kuten korkean jännitteen ja suuren ominaisenergian. Elektrolyytit valmistetaan tyypillisesti tietyissä olosuhteissa ja määrätyissä suhteissa erittäin -puhtaista orgaanisista liuottimista, litiumsuoloista ja tarvittavista lisäaineista. Vaikka elektrodimateriaalit määrittävät akun energiatiheyden, elektrolyytti määrittää pohjimmiltaan sen käyttöiän, suorituskyvyn korkeissa ja matalissa lämpötiloissa sekä turvallisuuden. Elektrolyytin peruskoostumus pysyy suhteellisen muuttumattomana; innovaatio perustuu pääasiassa uusien litiumsuolojen ja lisäaineiden kehittämiseen sekä litiumioniakkuihin liittyvien rajapintojen kemiallisten prosessien ja mekanismien syvempään ymmärtämiseen.

Litiumsuoloja on monen tyyppisiä, kuten kuvassa 7-5 näkyy, mutta hyvin vähän niitä käytetään kaupallisesti saatavissa litiumioniakuissa. Ihanteellisella litiumsuolalla tulee olla seuraavat ominaisuudet:

1) Alhainen assosiaatioaste, liukenee helposti orgaanisiin liuottimiin, mikä varmistaa elektrolyytin korkean ioninjohtavuuden.

2) Anionit, joilla on antioksidantti- ja pelkistysresistenssi; pelkistystuotteet helpottavat vakaan, matalan resistanssin{1}}SEI-kalvon muodostumista.

3) Hyvä kemiallinen stabiilisuus aiheuttamatta haitallisia sivureaktioita elektrodimateriaalien, elektrolyyttien tai erottimien kanssa.

4) Yksinkertainen valmistusprosessi, edullinen, myrkytön ja-vapaa.

LiPF6 on yleisimmin käytetty litiumsuola. Vaikka sen yksittäiset ominaisuudet eivät ole sen merkittävimmät, sillä on suhteellisen optimaalinen kokonaissuorituskyky karbonaattiseosliuotinelektrolyyteissä. LiPF6:lla on seuraavat tärkeimmät edut:

1) Sopiva liukoisuus ja korkea ioninjohtavuus ei--vesipitoisiin liuottimiin.

2) Se voi muodostaa vakaan passivointikalvon alumiinifolion virrankeräinten pinnalle.

3) Se muodostaa synergistisesti stabiilin SEI-kalvon grafiittielektrodin pinnalle karbonaattiliuottimilla.

LiPF6:lla on kuitenkin huono lämpöstabiilisuus ja se on altis hajoamisreaktioihin. Sivutuotteet voivat vahingoittaa elektrodin pinnalla olevaa SEI-kalvoa, liuottaa positiivisen elektrodin aktiiviset komponentit ja johtaa kapasiteetin heikkenemiseen pyöräilyn aikana.

LiBF on myös yleisesti käytetty litiumsuolalisäaine. LiPF6:een verrattuna LiBF:llä on laajempi käyttölämpötila-alue, parempi korkean-lämpötilojen vakaus ja erinomainen suorituskyky matalassa-lämpötiloissa. LiBF:llä on korkea johtavuus, laaja sähkökemiallinen ikkuna ja hyvä lämmönkestävyys. Sen suurin etu on sen kalvon-muodostusominaisuuksissa, koska se voi osallistua suoraan SEI-kalvon muodostukseen.

Rakenteellisesti LiDFOB koostuu puoli{0}}LiBOB:n ja LiBF:n molekyyleistä, ja siinä yhdistyvät LiBOB:n hyvien kalvon-muodostusominaisuuksien ja LiBF4:n hyvä suorituskyky matalassa{2}}lämpötiloissa. LiBOB:iin verrattuna LiDFOB:lla on parempi liukoisuus lineaarisiin karbonaattiliuottimiin ja korkeampi elektrolyytin johtavuus. Sen suorituskyky korkeassa-ja alhaisessa-lämpötilassa on parempi kuin LiPF4, ja se on hyvin yhteensopiva akun katodin kanssa, muodostaen passivoivan kalvon alumiinifolion pinnalle ja estämällä elektrolyytin hapettumista.

LiTFSI-rakenteen CF₃SO₂-ryhmillä on voimakas elektroneja -vetävä vaikutus, mikä pahentaa negatiivisen varauksen siirtymistä ja vähentää ionien assosiaatioparien muodostumista, mikä johtaa suolan korkeaan liukoisuuteen. Lisäksi LiTFSI:llä on korkea sähkönjohtavuus, korkea lämpöhajoamislämpötila ja se ei ole helposti hydrolysoituva; Se syövyttää kuitenkin voimakkaasti alumiinivirtakeräimet yli 3,7 V:n jännitteillä.

LiFSI-molekyylin fluoriatomeilla on vahvat elektroneja -vetävät ominaisuudet, jotka siirtävät typen negatiivisen varauksen, mikä johtaa heikon ioniassosiaatioon ja Li+:n helppoon dissosioitumiseen, mikä johtaa korkeaan johtavuuteen.

LiPO2F2:lla on hyvä suorituskyky matalissa-lämpötiloissa ja se myös parantaa elektrolyytin suorituskykyä korkeassa-lämpötiloissa. Lisäaineena se voi muodostaa SEI-kalvon, jossa on runsaasti LixPOyFz- ja LiF-yhdisteitä negatiivisen elektrodin pinnalle, mikä auttaa vähentämään akun rajapintojen impedanssia ja parantamaan akun syklin suorituskykyä. LiPO2F2 kärsii kuitenkin myös alhaisesta liukoisuudesta.

Pääkomponenttinestemäinen elektrolyyttion orgaaninen liuotin, joka liuottaa litiumsuoloja ja tarjoaa kantajan litiumioneille. Ihanteellisen orgaanisen liuottimen litiumioniakun elektrolyytille on täytettävä seuraavat ehdot:

1) Korkea dielektrisyysvakio ja vahva liukenemiskyky litiumsuoloille.

2) Matala sulamispiste ja korkea kiehumispiste, säilyttäen nestemäisen tilan laajalla lämpötila-alueella.

3) Matala viskositeetti, mikä helpottaa litium-ionien kulkeutumista.

4) Hyvä kemiallinen stabiilisuus, ei vahingoita positiivisen ja negatiivisen elektrodin rakennetta tai liukene positiivisia ja negatiivisia elektrodimateriaaleja.

5) Korkea leimahduspiste, hyvä turvallisuus, alhainen hinta, -myrkytön ja -saastumaton.

Litium{0}}ioniakkuelektrolyyteissä käytetyt yleiset orgaaniset liuottimet jaetaan pääasiassa karbonaattiliuottimiin ja orgaanisiin eetteriliuottimiin, kuten kuvassa 7-6. Tehokkaan-litiumioniakkuelektrolyytin saamiseksi käytetään yleensä sekoitettua liuotinta, joka sisältää kaksi tai useampaa orgaanista liuotinta, jolloin ne täydentävät toisiaan ja saavuttavat paremman yleisen suorituskyvyn. Tavallisten karbonaattiliuottimien fysikaaliset ominaisuudet on esitetty taulukossa 7-1.

Taulukko 7-1 Yleisten karbonaattiliuottimien fysikaaliset ominaisuudet

Orgaanisia eetteriliuottimia ovat pääasiassa ketjueetterit, kuten 1,2-dimetoksipropaani (DMP), dimetoksimetaani (DMM) ja etyleeniglykolidimetyylieetteri (DME) ja sykliset eetterit, kuten tetrahydrofuraani (THF) ja 2-metyylitetrahydrofuraani (2-Metoksifuraani). Ketjueetteriliuottimissa mitä pidempi hiiliketju on, sitä parempi kemiallinen stabiilisuus, mutta korkeampi viskositeetti ja pienempi litiumionien kulkeutumisnopeus. Etyleeniglykolidimetyylieetteri voi muodostaa suhteellisen stabiilin kelaatin (LiPF6·DME) litiumheksafluorifosfaatin kanssa, jolla on vahva litiumsuolojen liuotuskyky ja mikä johtaa korkeaan elektrolyytin johtavuuteen. DME:llä on kuitenkin huono kemiallinen stabiilisuus, eikä se voi muodostaa stabiilia passivointikalvoa negatiivisen elektrodimateriaalin pinnalle.

Karbonaattiliuottimia ovat sykliset karbonaatit, kuten propyleenikarbonaatti (PC) ja etyleenikarbonaatti (EC), ja ketjukarbonaatit, kuten dimetyylikarbonaatti (DMC), dietyylikarbonaatti (DEC) ja metyylietyylikarbonaatti (EMC). Syklisilla karbonaatilla on korkea dielektrisyysvakio, mikä tekee litiumsuolat liukenevammiksi, mutta niillä on myös korkea viskositeetti, mikä johtaa alhaisempaan litium-ionien kulkeutumisnopeuteen. Ketjukarbonaateilla on alhainen dielektrisyysvakio ja heikko litiumsuolaliukoisuus, mutta alhainen viskositeetti ja hyvä juoksevuus, mikä helpottaa litium-ionien kulkeutumista.

Litium--ionielektrolyyttien palamista hidastavien-lisäaineiden tyypit on esitetty kuvassa 7-7. Lisäaineilla, joita käytetään pieninä määrinä, on merkittäviä vaikutuksia, ja ne ovat taloudellinen ja käytännöllinen tapa parantaa litium-ioni-akkujen suorituskykyä. Lisäämällä pieni annos lisäaineita litium-ioni-akkujen elektrolyyttiin, tiettyjä akun suorituskykyominaisuuksia voidaan parantaa erityisesti, kuten palautuvaa kapasiteettia, elektrodin/elektrolyytin yhteensopivuutta, syklin suorituskykyä, nopeussuorituskykyä ja turvallisuussuorituskykyä, joilla on ratkaiseva rooli litiumioniakuissa. Ihanteellisella litiumioniakun elektrolyyttilisäaineella tulee olla seuraavat neljä ominaisuutta:

1) Korkea liukoisuus orgaanisiin liuottimiin.

2) Pieni määrä voi merkittävästi parantaa yhtä tai useampaa suorituskykyä.

3) Ei haitallisia sivureaktioita muiden akun osien kanssa, jotka vaikuttavat akun suorituskykyyn.

4) Edullinen, -myrkytön tai alhainen myrkyllisyys.

Lisäaineet voidaan luokitella toimintojensa perusteella johtaviin lisäaineisiin, ylilataussuoja-aineisiin, paloa hidastaviin lisäaineisiin, SEI-kalvon{0}}muodostaviin lisäaineisiin, katodimateriaalien suoja-aineisiin, LiPF6-stabilisaattoreihin ja muihin toiminnallisiin lisäaineisiin.

Johtavat lisäaineet parantavat litiumioniakkujen suorituskykyä koordinoimalla elektrolyytti-ionien kanssa, edistämällä litiumsuolan liukenemista ja lisäämällä elektrolyytin johtavuutta. Koska johtavat lisäaineet toimivat koordinaatioreaktioiden kautta, niitä kutsutaan myös ligandilisäaineiksi, ja ne luokitellaan anionisiin ligandeihin, kationisiin ligandeihin ja neutraaleihin ligandeihin vuorovaikutuksessa olevan ionin perusteella.

Ylilataussuojalisäaineet tarjoavat ylilataussuojan tai parantavat ylilataustoleranssia. Ne luokitellaan toiminnallisesti redox-lisäaineiksi ja monomeerilisäaineiksi. Tällä hetkellä redox-lisäaineet ovat pääasiassa anisolisarjoja, joilla on korkea redox-potentiaali ja hyvä liukoisuus. Monomeerilisäaineet käyvät läpi polymerointireaktioiden korkealla jännitteellä vapauttaen kaasuja, ja polymeeri peittää katodimateriaalin pinnan keskeyttäen latauksen. Monomeerilisäaineita ovat pääasiassa aromaattiset yhdisteet, kuten ksyleeni ja fenyylisykloheksaani.

Paloa hidastavat lisäaineet toimivat nostamalla elektrolyytin syttymispistettä tai lopettamalla palamista estävän vapaan radikaalin ketjureaktion. Niiden tyypit on esitetty kuvassa 7-8. Palonsuoja-aineiden lisääminen on yksi tärkeimmistä tavoista vähentää elektrolyytin syttyvyyttä, laajentaa litiumioniakkujen käyttölämpötila-aluetta ja parantaa niiden suorituskykyä. Paloa hidastavien lisäaineiden vaikutusmekanismit ovat pääasiassa kaksijakoisia:

1) Luomalla eristävän kerroksen kaasufaasin ja kondensoituneen faasin väliin ne estävät palamisen sekä kondensoituneessa että kaasufaasissa.

2) Ne vangitsevat vapaita radikaaleja palamisreaktioprosessin aikana päättäen vapaaradikaaliketjureaktion, joka estää kaasufaasien välisiä palamisreaktioita.