الکترولیت باتری لیتیومی چیست؟

الکترولیت باتری لیتیومی چیست؟

الکترولیت

الکترولیت موجود در باتری لیتیوم{0}یون حامل یون‌های موجود در باتری است. همانطور که در شکل 7 نشان داده شده است معمولاً از نمک های لیتیوم، حلال های آلی و مواد افزودنی تشکیل شده است. الکترولیت نقش مهمی در هدایت یون‌ها بین الکترودهای مثبت و منفی یک باتری لیتیوم{5} ایفا می‌کند و از مزایای آن مانند ولتاژ بالا و انرژی ویژه بالا اطمینان می‌دهد. الکترولیت‌ها معمولاً تحت شرایط خاص و در نسبت‌های خاص از حلال‌های آلی با خلوص بالا، نمک‌های لیتیوم و افزودنی‌های ضروری تهیه می‌شوند. در حالی که مواد الکترود چگالی انرژی باتری را تعیین می کند، الکترولیت اساساً عمر چرخه، عملکرد دمای بالا و پایین و ایمنی آن را تعیین می کند. ترکیب اصلی الکترولیت نسبتاً بدون تغییر باقی می ماند. نوآوری عمدتاً در توسعه نمک‌ها و افزودنی‌های لیتیوم جدید و همچنین درک عمیق‌تر فرآیندهای شیمیایی سطحی و مکانیسم‌های دخیل در باتری‌های لیتیوم یون نهفته است.

انواع مختلفی از نمک های لیتیوم وجود دارد، همانطور که در شکل 7 نشان داده شده است-5، اما تعداد بسیار کمی از آنها در باتری های لیتیوم یون تجاری موجود استفاده می شود. یک نمک لیتیوم ایده آل باید دارای خواص زیر باشد:

1) درجه ارتباط کم، به راحتی در حلال های آلی قابل حل است، که هدایت یونی بالای الکترولیت را تضمین می کند.

2) آنیون با مقاومت آنتی اکسیدانی و کاهش دهنده. محصولات احیا تشکیل یک فیلم SEI پایدار و با مقاومت کم را تسهیل می کنند.

3) پایداری شیمیایی خوب، بدون ایجاد واکنش های جانبی مضر با مواد الکترود، الکترولیت ها یا جداکننده ها.

4) فرآیند آماده سازی ساده، کم هزینه، غیر سمی و بدون آلودگی-.

LiPF6 پرمصرف ترین نمک لیتیوم است. در حالی که ویژگی‌های فردی آن برجسته‌ترین نیست، اما عملکرد کلی نسبتاً مطلوبی را در الکترولیت‌های حلال مخلوط کربنات از خود نشان می‌دهد. LiPF6 دارای مزایای کلیدی زیر است:

1) حلالیت مناسب و هدایت یونی بالا در حلالهای غیر آبی.

2) می تواند یک فیلم غیرفعال سازی پایدار بر روی سطح کلکتورهای جریان فویل آلومینیومی تشکیل دهد.

3) به طور هم افزایی یک فیلم SEI پایدار را روی سطح الکترود گرافیتی با حلال های کربنات تشکیل می دهد.

با این حال، LiPF6 پایداری حرارتی ضعیفی دارد و مستعد واکنش‌های تجزیه است. محصولات جانبی می توانند به فیلم SEI روی سطح الکترود آسیب برسانند، اجزای فعال الکترود مثبت را حل کنند و منجر به کاهش ظرفیت در طول چرخه شوند.

LiBF همچنین یک افزودنی نمک لیتیوم رایج است. در مقایسه با LiPF6، LiBF دارای محدوده دمای عملیاتی گسترده‌تر،-پایداری دمای بالا و عملکرد عالی در دمای پایین{3}} است. LiBF دارای رسانایی بالا، پنجره الکتروشیمیایی گسترده و پایداری حرارتی خوب است. بزرگترین مزیت آن در ویژگی‌های شکل‌دهی فیلم است، زیرا می‌تواند مستقیماً در شکل‌گیری فیلم SEI شرکت کند.

از لحاظ ساختاری، LiDFOB از نیمی از مولکول‌های-LiBOB و LiBF تشکیل شده است، که مزایای ویژگی‌های خوب تشکیل فیلم-LiBOB و عملکرد خوب{2}در دمای پایین LiBF4 را ترکیب می‌کند. در مقایسه با LiBOB، LiDFOB حلالیت بالاتری در حلال‌های کربنات خطی و هدایت الکترولیت بالاتری دارد. عملکرد-درجه حرارت بالا و پایین{6} آن بهتر از LiPF4 است، و سازگاری خوبی با کاتد باتری دارد، یک فیلم غیرفعال بر روی سطح فویل آلومینیومی تشکیل می‌دهد و اکسیداسیون الکترولیت را مهار می‌کند.

گروه‌های CF3SO2 در ساختار LiTFSI دارای اثر الکترون{0}}قویی هستند که باعث تشدید مکان‌یابی بار منفی می‌شود و جفت شدن ارتباط یونی را کاهش می‌دهد و در نتیجه انحلال پذیری نمک زیاد است. علاوه بر این، LiTFSI دارای هدایت الکتریکی بالا، دمای تجزیه حرارتی بالا است و به راحتی هیدرولیز نمی شود. با این حال، کلکتورهای جریان آلومینیومی را در ولتاژهای بالاتر از 3.7 ولت به شدت خورده می کند.

اتم‌های فلوئور در مولکول LiFSI دارای ویژگی‌های الکترونی{0} قوی هستند که بار منفی N را تغییر مکان می‌دهد و در نتیجه ارتباط یونی ضعیف و تفکیک آسان Li+ را ایجاد می‌کند، بنابراین منجر به رسانایی بالا می‌شود.

LiPO2F2 عملکرد خوب در دمای پایین-و همچنین عملکرد الکترولیت در دمای بالا را بهبود می‌بخشد. به عنوان یک افزودنی، می تواند یک فیلم SEI غنی از LixPOyFz و LiF روی سطح الکترود منفی تشکیل دهد که به کاهش امپدانس سطحی باتری و بهبود عملکرد چرخه باتری کمک می کند. با این حال، LiPO2F2 نیز از حلالیت کم رنج می برد.

جزء اصلی ازالکترولیت مایعحلال آلی است که نمک های لیتیوم را حل می کند و حاملی برای یون های لیتیوم فراهم می کند. یک حلال آلی ایده آل برای الکترولیت باتری لیتیوم{1} یون باید شرایط زیر را برآورده کند:

1) ثابت دی الکتریک بالا و توانایی انحلال قوی برای نمک های لیتیوم.

2) نقطه ذوب پایین و نقطه جوش بالا، حفظ حالت مایع در محدوده دمایی گسترده.

3) ویسکوزیته کم، انتقال یون لیتیوم{1}} را تسهیل می کند.

4) پایداری شیمیایی خوب، به ساختار الکترود مثبت و منفی آسیب نمی رساند یا مواد الکترود مثبت و منفی را حل نمی کند.

5) نقطه اشتعال بالا، ایمنی خوب، هزینه کم، غیر سمی و غیر آلاینده-.

حلال‌های آلی رایج مورد استفاده در الکترولیت‌های باتری لیتیوم{0}} عمدتاً به حلال‌های کربناته و حلال‌های اتر آلی تقسیم می‌شوند، همانطور که در شکل 7 نشان داده شده است-6. برای به دست آوردن یک الکترولیت باتری لیتیوم یونی با کارایی بالا، معمولاً از یک حلال مخلوط حاوی دو یا چند حلال آلی استفاده می‌شود که به آنها امکان می‌دهد مکمل یکدیگر باشند و عملکرد کلی بهتری داشته باشند. خواص فیزیکی حلال های کربناته معمولی در جدول 7-1 نشان داده شده است.

جدول 7-1 خواص فیزیکی حلال های کربنات معمولی

حلال های اتر آلی عمدتاً شامل اترهای زنجیره ای مانند 1،2-دی متوکسی پروپان (DMP)، دی متوکسی متان (DMM) و اتیلن گلیکول دی متیل اتر (DME) و اترهای حلقوی مانند تتراهیدروفوران (THF) و 2-متیلترات-فاتیلتر هستند. برای حلال های اتر زنجیره ای، هرچه زنجیره کربن طولانی تر باشد، پایداری شیمیایی بهتر است، اما ویسکوزیته بالاتر و نرخ مهاجرت لیتیوم-یون کمتر است. اتیلن گلیکول دی متیل اتر می تواند یک کلات نسبتاً پایدار (LiPF6·DME) با هگزافلوئوروفسفات لیتیوم تشکیل دهد که قدرت انحلال قوی برای نمک های لیتیوم را نشان می دهد و در نتیجه رسانایی الکترولیت بالایی دارد. با این حال، DME پایداری شیمیایی ضعیفی دارد و نمی تواند یک فیلم غیرفعال سازی پایدار روی سطح ماده الکترود منفی ایجاد کند.

حلال های کربناته شامل کربنات های حلقوی مانند کربنات پروپیلن (PC) و کربنات اتیلن (EC) و کربنات های زنجیره ای مانند دی متیل کربنات (DMC)، دی اتیل کربنات (DEC) و متیل اتیل کربنات (EMC) هستند. کربنات‌های حلقوی دارای ثابت دی الکتریک بالایی هستند و نمک‌های لیتیوم را محلول‌تر می‌کنند، اما ویسکوزیته بالایی نیز دارند و در نتیجه نرخ مهاجرت یون لیتیوم{1}} کمتر می‌شود. کربنات های زنجیره ای دارای ثابت دی الکتریک کم و حلالیت ضعیف نمک لیتیوم هستند، اما ویسکوزیته کم و جریان پذیری خوب دارند و مهاجرت یون لیتیوم را تسهیل می کنند.

انواع-افزودنی های بازدارنده شعله برای الکترولیت های لیتیوم- در شکل 7 نشان داده شده است-7. افزودنی هایی که در مقادیر کم استفاده می شوند، اثرات قابل توجهی دارند و یک روش اقتصادی و کاربردی برای بهبود عملکرد باتری های لیتیوم{5} یونی هستند. با افزودن دوز کوچکی از مواد افزودنی به الکترولیت باتری‌های لیتیوم{6} یون، ویژگی‌های عملکرد باتری خاصی را می‌توان به طور خاص بهبود بخشید، مانند ظرفیت برگشت‌پذیر، سازگاری الکترود/الکترولیت، عملکرد چرخه، عملکرد نرخ و عملکرد ایمنی، که نقش مهمی در باتری‌های لیتیوم{{8} یون ایفا می‌کند. یک افزودنی الکترولیت باتری لیتیوم یون ایده آل باید دارای چهار ویژگی زیر باشد:

1) حلالیت بالا در حلال های آلی.

2) مقدار کمی می تواند به طور قابل توجهی یک یا چند ویژگی عملکرد را بهبود بخشد.

3) بدون واکنش جانبی مضر با سایر اجزای باتری که بر عملکرد باتری تأثیر می گذارد.

4) کم هزینه، غیر سمی یا سمیت کم.

بر اساس عملکردشان، افزودنی‌ها را می‌توان به افزودنی‌های رسانا، افزودنی‌های حفاظت از شارژ اضافه، افزودنی‌های بازدارنده شعله، افزودنی‌های تشکیل‌دهنده فیلم SEI، محافظ‌های مواد کاتدی، تثبیت‌کننده‌های LiPF6 و سایر افزودنی‌های کاربردی دسته‌بندی کرد.

افزودنی‌های رسانا با هماهنگی با یون‌های الکترولیت، بهبود انحلال نمک لیتیوم و افزایش هدایت الکترولیت، عملکرد سرعت باتری‌های لیتیوم{0} یون را بهبود می‌بخشند. از آنجایی که افزودنی‌های رسانا از طریق واکنش‌های هماهنگی کار می‌کنند، افزودنی‌های لیگاند نیز نامیده می‌شوند و بر اساس یون برهم کنش به لیگاندهای آنیونی، لیگاندهای کاتیونی و لیگاندهای خنثی طبقه‌بندی می‌شوند.

افزودنی های محافظت در برابر شارژ بیش از حد، محافظت در برابر شارژ بیش از حد را فراهم می کنند یا تحمل شارژ بیش از حد را افزایش می دهند. آنها از نظر عملکردی به افزودنی های ردوکس و افزودنی های مونومر طبقه بندی می شوند. در حال حاضر، افزودنی‌های ردوکس عمدتاً سری آنیزول هستند که پتانسیل ردوکس بالا و حلالیت خوبی دارند. افزودنی‌های مونومر تحت ولتاژ بالا تحت واکنش‌های پلیمریزاسیون قرار می‌گیرند و گازها را آزاد می‌کنند و پلیمر سطح ماده کاتد را می‌پوشاند و شارژ را قطع می‌کند. افزودنی های مونومر عمدتاً شامل ترکیبات معطر مانند زایلن و فنیل سیکلوهگزان هستند.

مواد افزودنی بازدارنده شعله با بالا بردن نقطه اشتعال الکترولیت یا پایان دادن به واکنش زنجیره ای رادیکال آزاد که احتراق را مهار می کند، عمل می کنند. انواع آنها در شکل 7 نشان داده شده است-8. افزودن مواد بازدارنده شعله یکی از راه های مهم برای کاهش اشتعال پذیری الکترولیت، گسترش محدوده دمای عملیاتی باتری های لیتیوم یون و بهبود عملکرد آنها است. مکانیسم اثر افزودنی های بازدارنده شعله عمدتاً به دو صورت است:

1) با ایجاد یک لایه عایق بین فاز گاز و فاز متراکم، از احتراق در هر دو فاز متراکم و گاز جلوگیری می کنند.

2) رادیکال‌های آزاد را در طی فرآیند واکنش احتراق جذب می‌کنند و واکنش زنجیره‌ای رادیکال آزاد را که واکنش‌های احتراق بین فازهای گازی را مهار می‌کند، خاتمه می‌دهند.