Litium{0}}ioni-akun elektrolyytin merkitys?

◆Mitä ovat vesipitoiset elektrolyytit?

◆Johdatus kiinteisiin elektrolyytteihin

Elektrolyytti, välttämätön komponenttilitium{0}}ioni-akut, on ratkaisevassa roolissa akun lataus{0}}purkausjaksoissa.

Se ei ole vastuussa vain litiumionien tehokkaasta kuljetuksesta ja virran johtamisesta, vaan sillä on myös elektroniset eristysominaisuudet, jotka estävät tehokkaasti suoran elektronivirran positiivisten ja negatiivisten elektrodien välillä. Kuvannollisesti sanottuna elektrolyytti on kuin "veri" litium-ioni-akun sisällä, mikä varmistaa positiivisten ja negatiivisten elektrodien materiaalien välisen yhteyden, mikä takaa koko lataus-purkausprosessin sujuvan etenemisen.

Ihanteellisen elektrolyytin litiumioniakulle{0}}on täytettävä seuraavat viisi vaatimusta:

Akkujen energiatiheyden ja tehotiheyden jatkuvasti{0}}nousussa akkuteknologia kehittyy nopeasti, ja elektrodimateriaalit ovat edistyneet valtavasti. Sitä vastoin elektrolyyttijärjestelmien kehitys on jäänyt jälkeen. Tällä hetkellä litium-ioni-akkuelektrolyyttien kehitys voidaan luokitella kolmeen tyyppiin: ei--vesipitoiset liuotinelektrolyytit, vesipitoiset elektrolyytit ja kiinteän olomuodon elektrolyytit.

Ei--vesipitoinen liuotinelektrolyytti

 

Ei--vesipitoiset liuotinelektrolyytit litium-ioni-akuissa viittaavat elektrolyyttijärjestelmiin, jotka eivät sisällä vettä ja jotka koostuvat pääasiassa liuottimista, liuenneista aineista (yleensä litiumsuoloja) ja lisäaineista. Nämä ei--vesipitoiset liuottimet ovat tyypillisesti orgaanisia liuottimia vesipitoisten liuottimien sijaan, jotta vältetään veden elektrolyysi tai haitalliset reaktiot elektrodimateriaalien kanssa. Litiumsuolat ovat litium-ionien kuljetuksen ensisijaisia ​​kantajia, liuottimet toimivat litiumsuolojen liuottajana, dispergointina ja tukena, ja lisäaineet toimivat ensisijaisesti parantamaan litium--ioniakkujen sähkökemiallista suorituskykyä tai turvallisuutta.

Kaupallisesti saatavilla olevat elektrolyytit (eli nestemäiset elektrolyytit), joita käytetään litium-ioni-akuissa, koostuvat pääasiassa yhdestä tai useammasta litiumsuolasta, jotka on liuotettu kahteen tai useampaan orgaaniseen liuottimeen; yhdestä liuottimesta koostuvat elektrolyytit ovat hyvin harvinaisia. Syy useiden liuottimien käyttöön on se, että todellisten-akkujen vaatimukset ovat erilaisia, jopa ristiriitaisia, ja niitä on vaikea täyttää käyttämällä yhtä liuotinta. Esimerkiksi elektrolyytit voivat vaatia suurta juoksevuutta samalla kun niillä on myös korkea dielektrisyysvakio; siksi liuottimia, joilla on erilaiset fysikaalis-kemialliset ominaisuudet, käytetään usein yhdistelmänä, jolloin niillä on erilaisia ​​ominaisuuksia samanaikaisesti. Lisäksi litiumsuoloja ei yleensä käytetä samanaikaisesti, koska litiumsuolojen valinta on rajallinen ja niiden edut eivät ole helposti havaittavissa.

Ihanteellisilla orgaanisilla liuottimilla tulee olla seuraavat keskeiset ominaisuudet: Ensinnäkin ne tarvitsevat korkean dielektrisyysvakion varmistaakseen litiumsuolojen hyvän liukenemisen; toiseksi niillä tulee olla alhainen sulamispiste ja korkea kiehumispiste elektrolyytin käyttölämpötila-alueen laajentamiseksi; kolmanneksi alhainen viskositeetti auttaa edistämään litiumionien tehokasta kulkeutumista väliaineessa; ja lopuksi näiden liuottimien tulee olla halpoja ja niillä on oltava alhainen myrkyllisyys (mieluiten myrkytön). Karbonaattiyhdisteet, jotka ovat yksi varhaisimmista ja laajimmin käytetyistä orgaanisista liuottimista litiumioniakkuteollisuudessa, ovat tärkeässä asemassa akkuelektrolyyttien alalla.

Tällä hetkellä tämän tyyppinen liuotin sisältää pääasiassa kaksi rakennemuotoa: syklinen ja ketju. Alla olevassa taulukossa on yhteenveto useiden yleisesti käytettyjen ei--vesipitoisten liuottimien, elektrolyyttien ja orgaanisten liuottimien olennaiset fysikaaliset parametrit.

Tällä hetkellä alkyylikarbonaattiliuottimia käytetään laajalti elektrolyyteissä. Näillä liuottimilla on hyvä hapettumisenkestävyys, ja niillä on erinomainen stabiilisuus suurjänniteolosuhteissa. Sykliset karbonaatit, kuten eteenikarbonaatti ja propyleenikarbonaatti, tunnetaan korkeista dielektrisyysvakioistaan, mikä tarkoittaa, että ne voivat liuottaa litiumsuoloja tehokkaammin; vahvojen molekyylien välisten voimien vuoksi näillä liuottimilla on kuitenkin korkea viskositeetti, mikä hidastaa litiumionien liikettä niissä. Sitä vastoin ketjukarbonaatilla, kuten dimetyylikarbonaatilla ja dietyylikarbonaatilla, vaikka niillä on alhaisempi viskositeetti, on myös suhteellisen alhaiset dielektrisyysvakiot, mikä johtaa suhteellisen huonoon litiumsuolojen liukenemistehokkuuteen. Siksi erityyppisiä liuottimia sekoitetaan usein erityyppisiä liuottimia, kuten PC+DEC- tai EC+DMC-yhdistelmiä, jotta voidaan valmistaa liuosjärjestelmiä, joilla on ylivoimainen ioninjohtavuus. Litiumsuoloilla, jotka ovat litiumionien lähteitä elektrolyytissä, on tärkeä rooli litium-ioni-ionien kuljetuksessa litium--ioni-akkujen lataus- ja purkausprosessin aikana. Niiden suorituskyky vaikuttaa suoraan moniin litiumioniakkuihin, kuten energiatiheyteen, tehotiheyteen, käyttöjännitealueeseen, käyttöikään ja turvallisuuteen. Tällä hetkellä laboratoriotutkimuksessa ja teollisessa käytännössä valitaan tyypillisesti litiumsuoloja, joilla on suuret anioniset säteet ja korkea redox-stabiilisuus. Kemiallisen koostumuksensa perusteella litiumsuolat voidaan luokitella laajasti kahteen luokkaan: epäorgaaniset litiumsuolat ja orgaaniset litiumsuolat. Useita epäorgaanisia litiumsuoloja on kehitetty, mukaan lukien LiPF6, LiClO4, LIBF ja LIASF. Sitä vastoin yleisesti käytetyt orgaaniset litiumsuolat litium-ioni-akuissa formuloidaan lisäämällä elektroneja{18}}poistoryhmiä näiden epäorgaanisten litiumsuolojen anioneihin, kuten litiumdioksalato-boraatti (LiBOB), litiumdifluoroksalaatti-difluoridifluoridi-B]. (LiFSI) ja litiumditrifluorimetyylisulfonyyli-imidi (LTFSI). Alla oleva taulukko näyttää useiden yleisesti käytettyjen litiumsuolojen olennaiset fysikaalis-kemialliset ominaisuudet litium-ioni-akuissa.

Lisäaineet ovat aineita, joita lisätään elektrolyyttiin pieninä pitoisuuksina (yleensä enintään 10 massaprosenttia), joilla on tiettyjä tehtäviä ja jotka voivat parantaa merkittävästi akun sähkökemiallisia ominaisuuksia. Nämä lisäaineet voidaan toimintojensa perusteella luokitella useisiin luokkiin: kalvon muodostavat lisäaineet, palonestoaineet ja ylilatauksen estävät lisäaineet. Lisäksi on lisäaineita, joita käytetään parantamaan johtavuutta, optimoimaan suorituskykyä matalassa-lämpötiloissa tai säätelemään hivenmääriä ja HF-pitoisuuksia elektrolyyttiliuoksessa.