Beth yw'r electrolyte mewn batri lithiwm?

Beth yw'r electrolyte mewn batri lithiwm?

electrolyte

Yr electrolyte mewn batri ïon lithiwm yw cludwr ïonau yn y batri. Yn gyffredinol mae'n cynnwys halwynau lithiwm, toddyddion organig, ac ychwanegion, fel y dangosir yn Ffigur 7-4. Mae'r electrolyte yn chwarae rhan hanfodol wrth ddargludo ïonau rhwng electrodau positif a negyddol batri ïon lithiwm, gan sicrhau ei fanteision megis foltedd uchel ac egni penodol uchel. Mae electrolytau fel arfer yn cael eu paratoi o dan amodau penodol ac mewn cyfrannau penodol o doddyddion organig purdeb uchel, halwynau lithiwm, ac ychwanegion angenrheidiol. Er bod deunyddiau electrod yn pennu dwysedd ynni'r batri, mae'r electrolyte yn pennu'n sylfaenol ei fywyd beicio, perfformiad tymheredd uchel ac isel, a diogelwch. Mae cyfansoddiad sylfaenol yr electrolyte yn parhau'n gymharol ddigyfnewid; mae arloesedd yn bennaf yn natblygiad halwynau lithiwm newydd ac ychwanegion, yn ogystal â dealltwriaeth ddyfnach o'r prosesau a'r mecanweithiau cemegol rhyng-wyneb sy'n gysylltiedig â batris lithiwm-ion.

Mae yna lawer o fathau o halwynau lithiwm, fel y dangosir yn Ffigur 7-5, ond ychydig iawn sy'n cael eu defnyddio mewn batris lithiwm-ion sydd ar gael yn fasnachol. Dylai halen lithiwm delfrydol feddu ar y priodweddau canlynol:

1) Gradd cysylltiad isel, sy'n hawdd ei hydoddi mewn toddyddion organig, gan sicrhau dargludedd ïonig uchel yr electrolyte.

2) Anionau ag ymwrthedd gwrthocsidiol a lleihau; mae cynhyrchion lleihau yn hwyluso ffurfio ffilm SEI sefydlog, gwrthiant isel.

3) Sefydlogrwydd cemegol da, heb achosi adweithiau ochr niweidiol gyda deunyddiau electrod, electrolytau, neu wahanyddion.

4) Proses baratoi syml, cost isel, heb fod yn wenwynig ac yn rhydd o lygredd.

LiPF6 yw'r halen lithiwm a ddefnyddir fwyaf. Er nad yw ei briodweddau unigol yn fwyaf rhagorol, mae'n arddangos perfformiad cyffredinol cymharol optimaidd mewn electrolytau toddyddion cymysg carbonad. Mae gan LiPF6 y manteision allweddol canlynol:

1) Hydoddedd addas a dargludedd ïonig uchel mewn toddyddion nad ydynt yn-ddyfrllyd.

2) Gall ffurfio ffilm passivation sefydlog ar wyneb casglwyr cerrynt ffoil alwminiwm.

3) Mae'n synergyddol yn ffurfio ffilm SEI sefydlog ar yr wyneb electrod graffit gyda thoddyddion carbonad.

Fodd bynnag, mae gan LiPF6 sefydlogrwydd thermol gwael ac mae'n dueddol o adweithiau dadelfennu. Gall sgil-gynhyrchion niweidio'r ffilm SEI ar yr wyneb electrod, diddymu'r cydrannau gweithredol electrod positif, ac arwain at bydredd cynhwysedd yn ystod beicio.

Mae LiBF hefyd yn ychwanegyn halen lithiwm a ddefnyddir yn gyffredin. O'i gymharu â LiPF6, mae gan LiBF ystod tymheredd gweithredu ehangach, gwell sefydlogrwydd tymheredd uchel, a pherfformiad tymheredd isel uwch. Mae gan LiBF dargludedd uchel, ffenestr electrocemegol eang, a sefydlogrwydd thermol da. Ei fantais fwyaf yw ei briodweddau ffurfio ffilm, gan y gall gymryd rhan yn uniongyrchol wrth ffurfio'r ffilm SEI.

Yn strwythurol, mae LiDFOB yn cynnwys hanner-moleciwlau LiBOB a LiBF, sy'n cyfuno manteision-priodweddau ffurfio ffilm dda o LiBOB a-perfformiad tymheredd isel da LiBF4. O'i gymharu â LiBOB, mae gan LiDFOB hydoddedd uwch mewn toddyddion carbonad llinol a dargludedd electrolyt uwch. Mae ei berfformiad tymheredd uchel ac isel yn well na LiPF4, ac mae ganddo gydnawsedd da â'r catod batri, gan ffurfio ffilm goddefol ar wyneb ffoil alwminiwm ac atal ocsidiad electrolyte.

Mae gan y grwpiau CF₃SO₂ yn adeiledd LiTFSI effaith tynnu'n ôl electronau cryf, sy'n gwaethygu dadleoli'r gwefr negyddol ac yn lleihau paru cysylltiad ïon, gan arwain at hydoddedd uchel yr halen. Ar ben hynny, mae gan LiTFSI ddargludedd trydanol uchel, tymheredd dadelfennu thermol uchel, ac nid yw'n hawdd ei hydrolysu; fodd bynnag, bydd yn cyrydu casglwyr cerrynt alwminiwm yn ddifrifol ar folteddau uwchlaw 3.7V.

Mae gan yr atomau fflworin yn y moleciwl LiFSI briodweddau tynnu'n ôl electronau cryf, sy'n dadleoli'r wefr negyddol ar N, gan arwain at gysylltiad ïon gwan a daduniad hawdd o Li+, gan arwain at ddargludedd uchel.

Mae LiPO2F2 yn dangos perfformiad tymheredd isel da ac mae hefyd yn gwella perfformiad tymheredd uchel yr electrolyte. Fel ychwanegyn, gall ffurfio ffilm SEI sy'n gyfoethog mewn LixPOyFz a LiF ar yr wyneb electrod negyddol, sy'n helpu i leihau rhwystriant rhyngwyneb batri a gwella perfformiad beiciau batri. Fodd bynnag, mae LiPO2F2 hefyd yn dioddef o hydoddedd isel.

Prif gydran yelectrolyt hylifyw'r toddydd organig, sy'n hydoddi halwynau lithiwm ac yn darparu cludwr ar gyfer ïonau lithiwm. Mae angen i doddydd organig delfrydol ar gyfer electrolyt batri ïon lithiwm fodloni'r amodau canlynol:

1) cyson dielectrig uchel a gallu hydoddi cryf ar gyfer halwynau lithiwm.

2) Pwynt toddi isel a berwbwynt uchel, gan gynnal cyflwr hylif dros ystod tymheredd eang.

3) Gludedd isel, sy'n hwyluso cludo ïon lithiwm.

4) Sefydlogrwydd cemegol da, nid yw'n niweidio'r strwythur electrod positif a negyddol nac yn diddymu'r deunyddiau electrod positif a negyddol.

5) Pwynt fflach uchel, diogelwch da, cost isel, heb fod yn wenwynig a heb fod yn llygru.

Mae toddyddion organig cyffredin a ddefnyddir mewn electrolytau batri ïon lithiwm yn cael eu rhannu'n bennaf yn doddyddion carbonad a thoddyddion ether organig, fel y dangosir yn Ffigur 7-6. Er mwyn cael electrolyt batri lithiwm-ion perfformiad uchel, fel arfer defnyddir toddydd cymysg sy'n cynnwys dau neu fwy o doddydd organig, gan ganiatáu iddynt ategu ei gilydd a chyflawni perfformiad cyffredinol gwell. Dangosir priodweddau ffisegol toddyddion carbonad cyffredin yn Nhabl 7-1.

Tabl 7-1 Priodweddau Ffisegol Toddyddion Carbonad Cyffredin

Mae toddyddion ether organig yn bennaf yn cynnwys etherau cadwyn fel 1,2-dimethoxypropane (DMP), dimethoxymethane (DMM), ac ethylene glycol dimethyl ether (DME), ac etherau cylchol fel tetrahydrofuran (THF) a 2{{6}methyltetrahydrofuran (2-Me-THF). Ar gyfer toddyddion ether cadwyn, po hiraf y gadwyn garbon, y gorau yw'r sefydlogrwydd cemegol, ond po uchaf yw'r gludedd a'r isaf yw'r gyfradd mudo lithiwm-ion. Gall ether ethylene glycol dimethyl ffurfio chelate cymharol sefydlog (LiPF6 · DME) gyda hexafluorophosphate lithiwm, gan arddangos pŵer hydoddi cryf ar gyfer halwynau lithiwm ac yn arwain at ddargludedd electrolyt uchel. Fodd bynnag, mae gan DME sefydlogrwydd cemegol gwael ac ni all ffurfio ffilm goddefol sefydlog ar wyneb y deunydd electrod negyddol.

Mae toddyddion carbonad yn cynnwys carbonadau cylchol fel carbonad propylen (PC) a charbonad ethylen (EC), a charbonadau cadwyn fel carbonad dimethyl (DMC), carbonad diethyl (DEC), a methyl ethyl carbonad (EMC). Mae gan garbonadau cylchol gysonyn dielectrig uchel, sy'n gwneud halwynau lithiwm yn fwy hydawdd, ond mae ganddyn nhw hefyd gludedd uchel, gan arwain at gyfradd mudo ïon lithiwm is. Mae gan garbonadau cadwyn gysonyn dielectrig isel a hydoddedd halen lithiwm gwan, ond gludedd isel a llifadwyedd da, sy'n hwyluso mudo ïon lithiwm.

Dangosir y mathau o ychwanegion gwrth-fflam ar gyfer electrolytau lithiwm-yn Ffigur 7-7. Mae ychwanegion, a ddefnyddir mewn symiau bach, yn cael effeithiau sylweddol ac maent yn ddull economaidd ac ymarferol o wella perfformiad batris ïon lithiwm. Trwy ychwanegu dos bach o ychwanegion at yr electrolyte o batris ïon lithiwm, gellir gwella rhai nodweddion perfformiad batri yn benodol, megis gallu cildroadwy, cydnawsedd electrod / electrolyt, perfformiad beiciau, perfformiad cyfradd, a pherfformiad diogelwch, gan chwarae rhan hanfodol mewn batris ïon lithiwm. Dylai ychwanegyn electrolyt batri lithiwm-ion delfrydol feddu ar y pedair nodwedd ganlynol:

1) Hydoddedd uchel mewn toddyddion organig.

2) Gall swm bach wella un neu fwy o nodweddion perfformiad yn sylweddol.

3) Dim adweithiau ochr niweidiol â chydrannau batri eraill sy'n effeithio ar berfformiad batri.

4) Cost isel, heb fod yn wenwynig nac yn isel.

Yn seiliedig ar eu swyddogaeth, gellir categoreiddio ychwanegion yn ychwanegion dargludol, ychwanegion amddiffyn gordaliad, ychwanegion gwrth-fflam, ychwanegion sy'n ffurfio ffilm SEI, amddiffynyddion deunydd catod, sefydlogwyr LiPF6, ac ychwanegion swyddogaethol eraill.

Mae ychwanegion dargludol yn gwella perfformiad cyfradd batris ïon lithiwm trwy gydlynu ag ïonau electrolyte, hyrwyddo diddymu halen lithiwm, a chynyddu dargludedd electrolyte. Oherwydd bod ychwanegion dargludol yn gweithio trwy adweithiau cydlynu, fe'u gelwir hefyd yn ychwanegion ligand, ac fe'u dosberthir yn ligandau anionig, ligandau cationig, a ligandau niwtral yn seiliedig ar yr ïon sy'n rhyngweithio.

Mae ychwanegion amddiffyn overcharge yn darparu amddiffyniad overcharge neu'n gwella goddefgarwch overcharge. Maent yn cael eu dosbarthu'n swyddogaethol yn ychwanegion rhydocs ac ychwanegion monomer. Ar hyn o bryd, mae ychwanegion rhydocs yn gyfres anisole yn bennaf, sydd â photensial rhydocs uchel a hydoddedd da. Mae ychwanegion monomer yn cael adweithiau polymerization o dan foltedd uchel, gan ryddhau nwyon, ac mae'r polymer yn gorchuddio wyneb y deunydd catod, gan dorri ar draws codi tâl. Mae ychwanegion monomer yn bennaf yn cynnwys cyfansoddion aromatig megis xylene a phenylcyclohexane.

Mae ychwanegion gwrth-fflam yn gweithredu trwy godi pwynt tanio'r electrolyte neu derfynu'r adwaith cadwyn radical rhydd sy'n atal hylosgi. Dangosir eu mathau yn Ffigur 7-8. Mae ychwanegu gwrth-fflam yn un o'r ffyrdd pwysig o leihau fflamadwyedd yr electrolyte, ehangu ystod tymheredd gweithredu batris lithiwm-ion, a gwella eu perfformiad. Mae mecanweithiau gweithredu ychwanegion gwrth-fflam yn ddeublyg yn bennaf:

1) Trwy greu haen inswleiddio rhwng y cyfnod nwy a'r cyfnod cyddwys, maent yn atal hylosgi yn y cyfnodau cyddwys a nwy.

2) Maent yn dal radicalau rhydd yn ystod y broses adwaith hylosgi, gan derfynu'r adwaith cadwyn radical rhydd sy'n atal adweithiau hylosgi rhwng y cyfnodau nwy.