Електролитот, незаменлива компонента налитиум{0}}јонски батерии, игра клучна улога во-циклусите на полнење на батеријата.
Тој не е само одговорен за ефикасен транспорт на јони на литиум и спроведување на струјата, туку поседува и електронски изолациски својства за ефикасно да го спречи директниот проток на електрони помеѓу позитивните и негативните електроди. Фигуративно кажано, електролитот е како „крв“ во литиум-јонска батерија, обезбедувајќи поврзување помеѓу позитивните и негативните електроди материјали, со што гарантира непречено напредување на целиот процес на полнење-празнење.
Идеален електролит за литиум-јонска батерија треба да ги исполнува следните пет барања:
(1) High ionic conductivity (>10⁻3S/cm).
(2) Wide electrochemical window (>4,5 V наспроти Ли+/ Ли).
(3) Добра компатибилност со електродите, одржувајќи го најмалиот можен интерфејс отпор.
(4) Одлична термичка и хемиска стабилност, овозможувајќи ѝ на батеријата да работи безбедно во широк опсег на температури.
(5) Ниска цена, ниска токсичност и еколошки.
Со постојано-зголемување на барањата за густина и густина на енергија на батеријата, технологијата на батериите брзо се развива, а материјалите на електродите постигнаа огромен напредок. Спротивно на тоа, развојот на електролитните системи заостанува. Во моментов, развојот на електролити на литиум-јонски батерии може да се класифицираат во три вида: електролити без воден растворувач, водени електролити и електролити во цврста-состојба.
Електролит без воден растворувач
Електролити без воден растворувач во литиум-јонски батерии се однесуваат на електролитски системи кои не содржат вода, главно составени од растворувачи, растворени материи (обично литиумови соли) и адитиви. Овие не-водени растворувачи се типично органски растворувачи, наместо водени растворувачи, за да се избегне електролиза на вода или негативни реакции со електродните материјали. Литиумовите соли се примарни носители за транспорт на литиум-јони, растворувачите служат како растворање, дисперзија и поддршка за литиумските соли, а адитивите првенствено функционираат за подобрување на електрохемиските перформанси или безбедноста на литиум-јонските батерии.
Комерцијално достапните електролити (т.е. течни електролити) кои се користат во литиум-јонските батерии првенствено се состојат од една или повеќе литиумови соли растворени во два или повеќе органски растворувачи; електролитите составени од еден растворувач се многу ретки. Причината за користење на повеќе растворувачи е тоа што батериите од реалниот свет имаат различни, дури и контрадикторни барања кои тешко се исполнуваат со користење на еден растворувач. На пример, електролитите може да бараат висока флуидност додека имаат и висока диелектрична константа; затоа, растворувачите со различни физичко-хемиски својства често се користат во комбинација, покажувајќи различни карактеристики истовремено. Понатаму, литиумовите соли генерално не се користат истовремено бидејќи изборот на соли на литиум е ограничен, а нивните предности не се лесно видливи.
Идеалните органски растворувачи треба да ги поседуваат следните клучни својства: Прво, им треба висока диелектрична константа за да се обезбеди добро растворање на солите на литиум; второ, тие треба да имаат ниска точка на топење и висока точка на вриење за да се прошири опсегот на работната температура на електролитот; трето, нискиот вискозитет помага да се промовира ефикасна миграција на јони на литиум во медиумот; и конечно, овие растворувачи треба да бидат ефтини и да имаат ниска токсичност (идеално не-токсични). Карбонатните соединенија, како еден од најраните и најшироко користените органски растворувачи во индустријата за литиум-јонски батерии, заземаат клучна позиција во полето на електролитите на батериите.
Во моментов, овој тип на растворувач главно вклучува две структурни форми: циклична и верижна. Табелата подолу ги сумира релевантните физички параметри на неколку најчесто користени не-водени растворувачи, електролити и органски растворувачи.
| Категорија | Тип | Структура | Точка на топење (степен) | Точка на вриење (степен) | Индивидуален притисок на пареа (25 степени) | Релативна густина (25 степени)/(mPa·s) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Етилен карбонат (ЕК) | Циклично | 36.4 | 248 | 89,780 | 1.904 (40 степени) | |
| Пропилен карбонат (компјутер) | Циклично | -48.4 | 242 | 64,920 | 2.53 | |
| Карбонати | Бутилен карбонат (BC) | Циклично | -54.0 | 240 | 53,000 | 3.20 |
| Диметил карбонат (DMC) | Линеарна | 4.6 | 91 | 3,107 | 0.59 | |
| Диетил карбонат (ДЕК) | Линеарна | -74.3 | 126 | 2,805 | 0.75 | |
| Етил метил карбонат (EMC) | Линеарна | -53.0 | 110 | 2,958 | 0.65 |
Во моментов, растворувачите на алкил карбонат се широко користени во електролитите. Овие растворувачи поседуваат добра отпорност на оксидација и покажуваат одлична стабилност во услови на висок напон. Цикличните карбонати, како што се етилен карбонат и пропилен карбонат, се познати по нивните високи диелектрични константи, што значи дека можат поефикасно да ги растворат солите на литиум; сепак, поради силните меѓумолекуларни сили, овие растворувачи имаат висок вискозитет, што го забавува движењето на јоните на литиум во нив. Спротивно на тоа, синџирните карбонати, како што се диметил карбонатот и диетил карбонатот, иако имаат помал вискозитет, исто така имаат релативно ниски диелектрични константи, што резултира со релативно слаба ефикасност на растворање за солите на литиум. Затоа, за да се подготват системи за раствори со супериорна јонска спроводливост, често се мешаат различни видови растворувачи, како што се комбинации PC+DEC или EC+DMC. Литиумовите соли, како извор на јони на литиум во електролитот, играат главна улога во транспортот на литиум-јонски јони за време на процесот на полнење и празнење на литиум-јонските батерии. Нивната изведба директно влијае на многу аспекти на литиум{10}}јонските батерии, вклучувајќи ја густината на енергијата, густината на моќноста, опсегот на работниот напон, животниот век на циклусот и безбедноста. Во моментов, во лабораториските истражувања и индустриската практика, типично се избираат литиумови соли со големи анјонски радиуси и висока редокс стабилност. Врз основа на нивниот хемиски состав, солите на литиум може да се класифицираат во две категории: неоргански соли на литиум и органски соли на литиум. Развиени се неколку неоргански соли на литиум, вклучувајќи ги LiPF6, LiClO4, LIBF и LIASF. Спротивно на тоа, вообичаено користените органски литиумски соли во литиум-јонските батерии се формулираат со додавање на електрони-повлекувачки групи на анјоните на овие неоргански соли на литиум, како што се литиум диоксалато-борат (LiBOB), литиум дифлуорооксалатониум{2} дифлуоросулфонилимид (LiFSI) и литиум дитрифлуорометилсулфонилимид (LTFSI). Табелата подолу ги прикажува релевантните физичко-хемиски својства на неколку најчесто користени литиумови соли во литиум-јонските батерии.
| Категорија | Литиумска сол | Молекуларна тежина (g/mol) | Растворлив во карбонати? | Растворлив во вода? | Електрична спроводливост (1 mol/L, EC/DMC, 20 степени) (mS/cm) |
|---|---|---|---|---|---|
| Неоргански соли на литиум | LiPF6 | 151.91 | Да | Да | 10.00 |
| LiBF4 | 93.74 | Да | Да | 4.50 | |
| LiClO4 | 106.40 | Да | Да | 9.00 | |
| Органски соли на литиум | LiTFSI | 287.08 | Да | Да | 6.18 |
| LiFSI | 187.07 | Да | Да | 10.40 | |
| LiBOB | 193.79 | Да | Да | 0.65 |
Адитиви се супстанции додадени на електролитот во ниски концентрации (обично не повеќе од 10% по маса) кои имаат специфични функции и можат значително да ги подобрат електрохемиските карактеристики на батеријата. Врз основа на нивните функции, овие адитиви може широко да се класифицираат во неколку категории: адитиви за формирање на филм-, забавувачи на пламен и адитиви за да се спречи преполнување. Покрај тоа, постојат адитиви кои се користат за подобрување на спроводливоста, оптимизирање на перформансите при ниски-температурни услови или за контрола на количините во трагови и концентрациите на HF во растворот на електролитот.