Litium batareyada elektrolit nədir?

Litium batareyada elektrolit nədir?

elektrolit

Litium{0}}ion batareyasındakı elektrolit batareyadakı ionların daşıyıcısıdır. O, ümumiyyətlə Şəkil 7-4-də göstərildiyi kimi litium duzları, üzvi həlledicilər və əlavələrdən ibarətdir. Elektrolit litium ion batareyasının müsbət və mənfi elektrodları arasında ionların keçirilməsində həlledici rol oynayır və onun yüksək gərginlik və yüksək xüsusi enerji kimi üstünlüklərini təmin edir. Elektrolitlər adətən yüksək təmizlikli üzvi həlledicilərdən, litium duzlarından və lazımi əlavələrdən xüsusi şərtlərdə və xüsusi nisbətlərdə hazırlanır. Elektrod materialları batareyanın enerji sıxlığını təyin edərkən, elektrolit əsas olaraq onun dövriyyə müddətini, yüksək və aşağı temperatur performansını və təhlükəsizliyini müəyyən edir. Elektrolitin əsas tərkibi nisbətən dəyişməz olaraq qalır; yenilik əsasən yeni litium duzlarının və aşqarlarının işlənib hazırlanmasında, eləcə də litium-ion batareyalarında iştirak edən fazalərarası kimyəvi proseslərin və mexanizmlərin daha dərindən başa düşülməsindən ibarətdir.

Şəkil 7-5-də göstərildiyi kimi litium duzlarının bir çox növləri var, lakin kommersiyada mövcud olan litium-ion batareyalarında çox az miqdarda istifadə olunur. İdeal litium duzu aşağıdakı xüsusiyyətlərə malik olmalıdır:

1) Aşağı birləşmə dərəcəsi, üzvi həlledicilərdə asanlıqla həll olunur, elektrolitin yüksək ion keçiriciliyini təmin edir.

2) Antioksidant və reduksiya müqaviməti olan anionlar; reduksiya məhsulları sabit, aşağı{1}}müqavimətli SEI filminin əmələ gəlməsini asanlaşdırır.

3) Elektrod materialları, elektrolitlər və ya separatorlarla zərərli yan reaksiyalara səbəb olmadan yaxşı kimyəvi sabitlik.

4) Sadə hazırlıq prosesi, aşağı qiymət,-toksik olmayan və çirklənmədən-təmizdir.

LiPF6 ən çox istifadə edilən litium duzudur. Fərdi xüsusiyyətləri ən görkəmli olmasa da, karbonatlı qarışıq həlledici elektrolitlərdə nisbətən optimal ümumi performans nümayiş etdirir. LiPF6 aşağıdakı əsas üstünlüklərə malikdir:

1) Susuz həlledicilərdə uyğun həllolma və yüksək ion keçiricilik-.

2) Alüminium folqa cərəyan kollektorlarının səthində sabit passivasiya filmi yarada bilər.

3) Karbonat həllediciləri ilə qrafit elektrod səthində sinergik olaraq sabit SEI filmi əmələ gətirir.

Bununla belə, LiPF6 zəif istilik sabitliyinə malikdir və parçalanma reaksiyalarına meyllidir. Əlavə məhsullar elektrod səthindəki SEI filminə zərər verə bilər, müsbət elektrod aktiv komponentlərini həll edə bilər və velosiped sürmə zamanı tutumun çürüməsinə səbəb ola bilər.

LiBF həmçinin çox istifadə edilən litium duzu əlavəsidir. LiPF6 ilə müqayisədə, LiBF daha geniş işləmə temperaturu diapazonuna, daha yaxşı yüksək-temperatur sabitliyinə və üstün aşağı{3}}temperatur performansına malikdir. LiBF yüksək keçiriciliyə, geniş elektrokimyəvi pəncərəyə və yaxşı istilik sabitliyinə malikdir. Onun ən böyük üstünlüyü SEI filminin formalaşmasında birbaşa iştirak edə bildiyi üçün{6}}film əmələ gətirmə xüsusiyyətlərindədir.

Struktur olaraq, LiDFOB LiBOB və LiBF-nin yarı-molekullarından ibarətdir və bu, LiBOB-un yaxşı film əmələ gətirmə xüsusiyyətlərinin-və LiBF4-ün aşağı{2}}yaxşı aşağı temperatur performansının üstünlüklərini özündə birləşdirir. LiBOB ilə müqayisədə LiDFOB xətti karbonat həlledicilərdə daha yüksək həll qabiliyyətinə və daha yüksək elektrolit keçiriciliyinə malikdir. Onun yüksək-temperatur və aşağı{6}}temperatur göstəriciləri LiPF4-dən daha yaxşıdır və o, batareyanın katoduna yaxşı uyğun gəlir, alüminium folqa səthində passivasiya filmi əmələ gətirir və elektrolit oksidləşməsini maneə törədir.

LiTFSI strukturunda olan CF₃SO₂ qrupları güclü elektron -çəkmə effektinə malikdir, bu da mənfi yükün delokalizasiyasını gücləndirir və ion assosiasiyasının cütləşməsini azaldır, nəticədə duzun yüksək həll olması ilə nəticələnir. Bundan əlavə, LiTFSI yüksək elektrik keçiriciliyinə, yüksək istilik parçalanma temperaturuna malikdir və asanlıqla hidroliz edilmir; lakin o, 3,7V-dən yuxarı gərginliklərdə alüminium cərəyan kollektorlarını ciddi şəkildə korroziyaya uğradacaq.

LiFSI molekulundakı flüor atomları güclü elektron çəkmə xüsusiyyətlərinə malikdir{0}, bu da N-də mənfi yükü delokalizasiya edir, nəticədə zəif ion assosiasiyası və Li+-nın asan dissosiasiyası, beləliklə də yüksək keçiriciliyə gətirib çıxarır.

LiPO2F2 aşağı{2}}temperaturda yaxşı performans nümayiş etdirir və həmçinin elektrolitin yüksək temperatur performansını yaxşılaşdırır. Əlavə olaraq, mənfi elektrod səthində LixPOyFz və LiF ilə zəngin SEI filmi yarada bilər ki, bu da batareyanın interfatik empedansını azaltmağa və batareya dövrünün performansını yaxşılaşdırmağa kömək edir. Bununla belə, LiPO2F2 də aşağı həlledicilikdən əziyyət çəkir.

Əsas komponentimaye elektrolitlitium duzlarını həll edən və litium ionlarının daşıyıcısını təmin edən üzvi həlledicidir. Litium ion batareya elektroliti üçün ideal üzvi həlledici aşağıdakı şərtlərə cavab verməlidir:

1) Litium duzları üçün yüksək dielektrik sabitliyi və güclü həlletmə qabiliyyəti.

2) Aşağı ərimə nöqtəsi və yüksək qaynama nöqtəsi, geniş temperatur diapazonunda maye vəziyyətini saxlamaq.

3) Litium-ionunun nəqlini asanlaşdıran aşağı özlülük.

4) Yaxşı kimyəvi sabitlik, müsbət və mənfi elektrod strukturuna zərər vermir və ya müsbət və mənfi elektrod materiallarını həll etmir.

5) Yüksək alovlanma nöqtəsi, yaxşı təhlükəsizlik, aşağı qiymət,-toksik olmayan və-çirkləndirməyən.

Litium{0}}ion batareya elektrolitlərində istifadə edilən ümumi üzvi həlledicilər Şəkil 7-6-da göstərildiyi kimi əsasən karbonat həlledicilərə və üzvi efir həlledicilərinə bölünür. Yüksək performanslı litium-ion batareya elektrolitini əldə etmək üçün adətən iki və ya daha çox üzvi həlledicidən ibarət qarışıq həlledici istifadə olunur ki, bu da onların bir-birini tamamlamasına və daha yaxşı ümumi performansa nail olmasına imkan verir. Ümumi karbonat həlledicilərinin fiziki xassələri Cədvəl 7-1-də göstərilmişdir.

Cədvəl 7-1 Ümumi karbonat həlledicilərinin fiziki xüsusiyyətləri

Üzvi efir həlledicilərinə əsasən 1,2-dimetoksipropan (DMP), dimetoksimetan (DMM) və etilen qlikol dimetil efir (DME) kimi zəncirli efirlər və tetrahidrofuran (THF) və 2-metantilofuran (Me-THF) kimi siklik efirlər daxildir. Zəncirvari efir həllediciləri üçün karbon zənciri nə qədər uzun olsa, kimyəvi sabitlik bir o qədər yaxşıdır, lakin özlülük bir o qədər yüksəkdir və litium-ion miqrasiya sürəti bir o qədər aşağıdır. Etilen qlikol dimetil efiri litium heksaftorofosfatla nisbətən sabit xelat (LiPF6 · DME) yarada bilər, litium duzları üçün güclü həlledici güc nümayiş etdirir və yüksək elektrolit keçiriciliyi ilə nəticələnir. Bununla belə, DME zəif kimyəvi sabitliyə malikdir və mənfi elektrod materialının səthində sabit passivasiya filmi yarada bilməz.

Karbonat həlledicilərinə propilen karbonat (PC) və etilen karbonat (EC) kimi siklik karbonatlar və dimetil karbonat (DMC), dietil karbonat (DEC) və metil etil karbonat (EMC) kimi zəncirvari karbonatlar daxildir. Tsiklik karbonatlar yüksək dielektrik sabitliyə malikdir, bu da litium duzlarını daha çox həll edir, lakin onlar həm də yüksək özlülüyə malikdir və nəticədə litium{1}}ionunun miqrasiya sürəti aşağı olur. Zəncirli karbonatlar aşağı dielektrik sabitliyə və zəif litium duzunun həllinə malikdir, lakin litium-ionunun miqrasiyasını asanlaşdıraraq, aşağı özlülük və yaxşı axıcılığa malikdir.

Litium-ion elektrolitləri üçün-alov gecikdirən əlavələrin növləri Şəkil 7-7-də göstərilmişdir. Kiçik miqdarda istifadə edilən əlavələr əhəmiyyətli təsirlərə malikdir və litium{5}}ion batareyalarının işini yaxşılaşdırmaq üçün qənaətcil və praktik üsuldur. Litium{6}}ion batareyalarının elektrolitinə kiçik dozada əlavələr əlavə etməklə, litium{6}}batareyalarda həlledici rol oynayan geri çevrilə bilən tutum, elektrod/elektrolit uyğunluğu, dövriyyə performansı, sürət performansı və təhlükəsizlik performansı kimi müəyyən batareya performans xüsusiyyətlərini xüsusi olaraq yaxşılaşdırmaq olar. İdeal litium-ion batareya elektrolit əlavəsi aşağıdakı dörd xüsusiyyətə malik olmalıdır:

1) Üzvi həlledicilərdə yüksək həllolma.

2) Kiçik bir miqdar bir və ya daha çox performans xüsusiyyətlərini əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşdıra bilər.

3) Batareyanın işinə təsir edən digər batareya komponentləri ilə heç bir zərərli yan reaksiya yoxdur.

4) Aşağı qiymət, toksik olmayan-və ya aşağı toksiklik.

Funksiyalarına əsasən, əlavələr keçirici aşqarlar, həddindən artıq yüklənmədən qoruyan əlavələr, alov gecikdirən əlavələr, SEI film{0}}formalaşdıran aşqarlar, katod materialı qoruyucuları, LiPF6 stabilizatorları və digər funksional əlavələr kimi təsnif edilə bilər.

Keçirici əlavələr elektrolit ionları ilə koordinasiya edərək, litium duzunun həllini təşviq edərək və elektrolit keçiriciliyini artıraraq litium{0}}ion batareyalarının sürət performansını yaxşılaşdırır. Keçirici aşqarlar koordinasiya reaksiyaları ilə işlədikləri üçün onlara liqand əlavələri də deyilir və qarşılıqlı təsir edən ion əsasında anion liqandlar, kationik liqandlar və neytral liqandlara təsnif edilir.

Həddindən artıq yüklənmədən qoruyan əlavələr həddindən artıq yüklənmədən qorunma təmin edir və ya həddindən artıq yüklənməyə dözümlülüyünü artırır. Onlar funksional olaraq redoks əlavələrinə və monomer əlavələrinə bölünürlər. Hal-hazırda, redoks əlavələri əsasən yüksək redoks potensialına və yaxşı həll qabiliyyətinə malik olan anizol seriyasıdır. Monomer aşqarları yüksək gərginlik altında polimerləşmə reaksiyalarına məruz qalır, qazları buraxır və polimer katod materialının səthini örtür və yüklənməni dayandırır. Monomer əlavələrinə əsasən ksilen və fenilsikloheksan kimi aromatik birləşmələr daxildir.

Alov gecikdirən əlavələr elektrolitin alovlanma nöqtəsini yüksəltməklə və ya yanmağa mane olan sərbəst radikal zəncirvari reaksiyanı dayandırmaqla fəaliyyət göstərir. Onların növləri Şəkil 7-8-də göstərilmişdir. Alov gecikdiricilərin əlavə edilməsi elektrolitin alovlanma qabiliyyətini azaltmaq, litium-ion batareyalarının iş temperaturu diapazonunu genişləndirmək və onların işini yaxşılaşdırmaq üçün vacib yollardan biridir. Alov gecikdirən əlavələrin təsir mexanizmləri əsasən ikidir:

1) Qaz fazı ilə qatılaşdırılmış faza arasında izolyasiya qatı yaradaraq, həm kondensasiya, həm də qaz fazalarında yanmanın qarşısını alırlar.

2) Onlar yanma reaksiyası zamanı sərbəst radikalları tutur, qaz fazaları arasında yanma reaksiyalarını maneə törədən sərbəst radikal zəncirvari reaksiyanı dayandırırlar.