◆Wat zien waterige elektrolyte?
◆Inleiding tot vaste elektrolyte
De elektrolyt, un onmisbaar oonderdeil vaanlithium-ion-batterieje, sjpeelt ‘n cruciale rol in de laad-ontlaadcycli vaan de batterij.
‘t Is neet allein verantwoordelik veur ‘t efficiënte transport vaan lithium-ione en ‘t geleiding vaan sjtroum, mer heet ouch elektroniese isolatie-eigesjappe um directe elektronstroming tusse de positieve en negatieve elektrode effectief te veurkómme. Figuurlik gesproke is de elektrolyt wie ‘t “bloed” in ‘n lithium-ionbatterij, wat de connectiviteit tusse de positieve en negatieve elektrodemateriale verzekert, en zoedoende de vloeiende veuroetgaank vaan ‘t ganse lading-ontlaojingsproces garandeert.
‘n Ideale elektrolyt veur ‘n lithium-ionbatterij zou aon de volgende vief vereiste motte voldoon:
(1) High ionic conductivity (>10⁻3S/cm).
(2) Wide electrochemical window (>4,5 V vs. Li+/Li).
(3) Goede compatibiliteit mit elektrode, mit ‘t behawwe vaan de liegste meugelike interfaciale weerstand.
(4) Oetstekende thermische en chemische stabiliteit, boedoor de batterij veilig kin wèrke euver ‘n breid temperatuurbereik.
(5) Gooje koste, liege toxiciteit en milieuvriendelijk.
Mit de steeds touwnummende vraog nao energiedichtheid en krachdichtheid vaan de batterij, oontwikkelt de technologie vaan de batterij zich snel en höbbe elektrodemateriale enorme veuroetgaank geboek. Daoretege is de oontwikkeling vaan elektrolytsysteme achtergebleve. Op ‘t momint kin de ontwikkeling vaan lithium-ion-batteriejelektrolyte breid weure ingedeild in drei soorte: neet--waterige oplosmiddelelektrolyte, waterige elektrolyte en vaste-elektrolyte.
Neet-waterige oplosmiddelelektrolyt
Neet--waterige oplosmiddelelektrolyte in lithium-ionbatterieje verwieze nao elektrolytesysteme die gein water bevatte, veural samegesjtèld oet oplosmiddele, opgeloste stoffe (meistal lithiumzojte) en toevoeginge. Dees neet--waterige oplosmiddele zien typisch organische oplosmiddele, in plaats vaan waterige oplosmiddele, um elektrolyse vaan water of bijwerkinge mèt elektrodemateriaole te veurkómme. Lithiumzajte zien de belangriekste drager veur lithium-iontransport, oplosmiddele dene es de oplossing, dispersie en steun veur lithiumzajte, en additieven functionere veural um de elektrochemische prestaties of veiligheid vaan lithium-ionbatterieje te verbetere.
Kommersieel besjikbare elektrolyte (d.w.z. vloeibaar elektrolyte) die in lithium-ionbatterieje weure gebruuk, zien veural samegesjtèld oet ein of mie lithiumzajte opgelos in twie of mie organische oplosmiddele; elektrolyte samegesjtèld oet ein oplosser zien hieël zeldzaam. De reie veur ‘t gebruuk vaan mierdere oplosmiddele is dat batterieje in de echte wereld versjèllende, zelfs tegestrijdige, vereiste höbbe die lesteg te voldoon zien mèt ein oplosmiddel. Elektrolyte kinne beveurbeeld ‘n hoege vloeibaarheid nuudig höbbe onderwieles ze ouch ‘n hoege diëlektrische constante höbbe; daorum were oplosmiddele mit versjillende fysico-chemische eigensjappe dèks in combinatie gebruuk, die tegeliekertied versjillende kinmerke vertoene. Daoneve were lithiumzajte euver ‘t algemein neet tegeliekertied gebruuk umdet de selèctie vaan lithiumzajte beperk is en hun veurdeile neet gemekelek zichbaar zien.
Ideale organische oplosmiddele motte de volgende belangrieke eigesjappe höbbe: Iers höbbe ze ‘n hoege diëlektriese constante nuudig um veur ‘n gooje oplossing vaan lithiumzojte te garandere; ten twiede, ze zouwe un lieg smeltpunt en un hoeg kookpunt motte höbbe um ut bedriefstemperatuurbereik vaan de elektrolyt te verbreide; ten derde, liege viscositeit helpt efficiënte migratie vaan lithium-ione in ‘t medium te bevordere; en ten slotte, dees oplosmiddele zouwe goodkoup motte zien en ‘n liege toxiciteit höbbe (ideaal gezeen neet-giftig). Carbonaatverbindinge, es ein vaan de ierste en meis gebruukde organische oplosmiddele in de lithium-ion-batterie-industrie, höbbe ‘n cruciale positie in ‘t veld vaan batterij-elektrolyte.
Op ‘t momint umvat dit type oplosser veural twie structurele vörm: cyclisch en ketting. De tabel heij oonder vattet de relevante fysieke parameters vaan versjèllende dèks gebruukde neet--waterige oplosmiddele, elektrolyte en organische oplosmiddele same.
| Kàttegorie | Tiepe | Sjtruktuur | Smeltpunt (graod) | Kookpunt (graod) | Individuele Dampdrök (25 graode) | Relatieve dichtheid (25 graod)/(mPa·s) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Ethyleencarbonaat (EC) | Cyclisch | 36.4 | 248 | 89,780 | 1,904 (40 graod) | |
| Propyleen Carbonaat (PC) | Cyclisch | -48.4 | 242 | 64,920 | 2.53 | |
| Karbonate | Butyleencarbonaat (BC) | Cyclisch | -54.0 | 240 | 53,000 | 3.20 |
| Dimethyl Carbonaat (DMC) | Lineair | 4.6 | 91 | 3,107 | 0.59 | |
| Diethylcarbonaat (DEC) | Lineair | -74.3 | 126 | 2,805 | 0.75 | |
| Ethylmethylcarbonaat (EMC) | Lineair | -53.0 | 110 | 2,958 | 0.65 |
Op ‘t momint were alkylcarbonaatoplosmiddele väöl gebruuk in elektrolyte. Dees oplosmiddele höbbe ‘n gooje oxidatieweerstand en vertoene ‘n oetstekende stabiliteit oonder hoegspanningsomstandighede. Cyclische carbonate, zoe wie ethyleencarbonaat en propyleencarbonaat, staon bekind um hun hoege diëlektrische constante, wat beteikent dat ze lithiumzojte effectiever kinne oplosse; door sterke intermoleculaire krachte höbbe dees oplosmiddele echter ‘n hoege viscositeit, wat de bewaeging vaan lithium-ione binne-in vertraag. Daoretege höbbe kettingcarbonate, zoe wie dimethylcarbonaat en diethylcarbonaat, hoewel ze ‘n liegere viscositeit höbbe, ouch relatief liege diëlektriese constante, waat resulteert in ‘n relatief slechte oplossingsefficiëntie veur lithiumzajte. Daorum were um oplossingssysteme mit ‘n superieure ionische geleidingsvermoge veur te bereie, dèks versjèllende soorte oplosmiddele gemengk, zoe wie PC+DEC of EC+DMC-combinasies. Lithiumzajte, es de bron vaan lithium-ione in de elektrolyt, spele ‘n belangrieke rol in ‘t transport vaan lithium-ion-ione tijdens ‘t oplaad- en ontlaojingsproces vaan lithium-ionbatterieje. Hun prestaties höbbe ‘n direk invlood op väöl aspecte vaan lithium-ionbatterieje, boe-oonder energiedichtheid, krachdichtheid, bedriefsspanningsbereik, cyclusleve en veiligheid. Op ‘t momint were in laboratoriumoonderzeuk en industriële praktijk lithiumzajte mèt groete anionische sjtraole en hoege redoxstabiliteit dèks geselèkteerd. Op basis vaan hun chemische samesjtelling kinne lithiumzajte in twie cattegorieje were ingedeild: anorganische lithiumzajte en organische lithiumzajte. Versjèllende anorganische lithiumzajte zien óntwikkeld, boe-oonder LiPF6, LiClO4, LIBF en LIASF. Daoretege weure dèks gebruukde organische lithiumzajte in lithium-ionbatterieje geformuleerd door elektron-onttrèkkende groepe toe te voge aon de anione vaan dees inorganische lithiumzajte, zoe wie lithiumdioxalato-boraat (LiBOB), lithiumdifluoroxalato{-boraat-), difluorosulfonylimide (LiFSI), en lithium ditrifluoromethylsulfonylimide (LTFSI). De tabel heij oonder toont de relevante fysico-chemische eigensjappe vaan versjillende algemein gebruukde lithiumzajte in lithium-ionbatterieje.
| Kàttegorie | Lithiumzaajt | Moleculair gewiech (g/mol) | Oplosbaar in koolstof? | Oplosbaar in water? | Elektrische geleidingsvermoge (1 mol/L, EC/DMC, 20 graod) (mS/cm) |
|---|---|---|---|---|---|
| Anorganische lithiumzajte | LiPF₆ | 151.91 | Joa | Joa | 10.00 |
| LiBF₄ | 93.74 | Joa | Joa | 4.50 | |
| LiClO₄ | 106.40 | Joa | Joa | 9.00 | |
| Biologische lithiumzajte | LiTFSI | 287.08 | Joa | Joa | 6.18 |
| LiFSI | 187.07 | Joa | Joa | 10.40 | |
| LiBOB | 193.79 | Joa | Joa | 0.65 |
Additieve zien stoffe die in liege concentraties (meistal neet mie es 10% in massa) aon de elektrolyt were toegeveug, die specifieke functies höbbe en de elektrochemische eigesjappe vaan de batterij aonzeenlik kinne verbetere. Op basis vaan hun functies kinne dees toesjtèllinge in versjèllende categorieje were ingedeild: film-toesjtèllingsvörmende, vlamvertragers en toesjtèllinge um euverlading te veurkómme. Daonaeve weure toesjtèllinge gebruuk um de geleidingsvermoge te verhoage, de prestaties te optimalisere onger lieg-temperatuur, of um de gebaseerde wieväölhede en HF-concentraties in de elektrolytoplossing te controlere.