Лити батерей дахь электролит гэж юу вэ?
электролит
Лити{0}}ионы батерейны электролит нь батерейны ионуудын тээвэрлэгч юм. Энэ нь ерөнхийдөө литийн давс, органик уусгагч болон нэмэлтүүдээс бүрддэгийг Зураг 7-4-т үзүүлэв. Электролит нь литийн ион батерейны эерэг ба сөрөг электродуудын хооронд ионыг дамжуулахад чухал үүрэг гүйцэтгэдэг бөгөөд өндөр хүчдэл, өндөр хувийн энерги зэрэг давуу талуудыг баталгаажуулдаг. Электролитийг ихэвчлэн өндөр цэвэр органик уусгагч, литийн давс, шаардлагатай нэмэлтүүдээс тодорхой хэмжээгээр, тодорхой хувь хэмжээгээр бэлтгэдэг. Электродын материал нь батерейны эрчим хүчний нягтыг тодорхойлдог бол электролит нь түүний ашиглалтын хугацаа, өндөр ба бага температурын гүйцэтгэл, аюулгүй байдлыг үндсэнд нь тодорхойлдог. Электролитийн үндсэн найрлага нь харьцангуй өөрчлөгдөөгүй хэвээр байна; Инноваци нь голчлон шинэ литийн давс, нэмэлтийг хөгжүүлэх, мөн лити-ион батерейнд хамаарах химийн процесс, механизмын талаар илүү гүнзгий ойлголттой болох явдал юм.
Зураг 7-5-д үзүүлсэнчлэн олон төрлийн литийн давс байдаг боловч худалдаанд гарсан лити-ион батерейнд маш цөөхөн нь ашиглагддаг. Тохиромжтой лити давс нь дараахь шинж чанартай байх ёстой.
1) Холбооны түвшин бага, органик уусгагчид амархан уусдаг, электролитийн өндөр ионы дамжуулалтыг хангадаг.
2) Антиоксидант ба бууралтын эсэргүүцэлтэй анионууд; бууруулах бүтээгдэхүүнүүд нь тогтвортой, бага{1}}эсэргүүцэлтэй SEI хальс үүсгэхэд тусалдаг.
3) Химийн сайн тогтвортой байдал, электродын материал, электролит, тусгаарлагчтай сөрөг урвал үүсгэхгүй.
4) Бэлтгэх энгийн үйл явц, хямд өртөгтэй, -хоргүй, бохирдолгүй-.
LiPF6 нь хамгийн өргөн хэрэглэгддэг литийн давс юм. Хэдийгээр түүний бие даасан шинж чанарууд нь хамгийн гайхалтай биш боловч карбонатын холимог уусгагч электролитийн харьцангуй оновчтой ерөнхий гүйцэтгэлийг харуулдаг. LiPF6 нь дараах гол давуу талуудтай.
1) Усан бус уусгагчид-тохиромжтой уусах чадвар, өндөр ионы дамжуулалт.
2) Хөнгөн цагаан тугалган гүйдлийн коллекторын гадаргуу дээр тогтвортой идэвхгүй хальс үүсгэж болно.
3) Энэ нь карбонат уусгагчтай графит электродын гадаргуу дээр тогтвортой SEI хальс үүсгэдэг.
Гэсэн хэдий ч LiPF6 нь дулааны тогтвортой байдал муутай бөгөөд задралын урвалд өртөмтгий байдаг. Дагалдах бүтээгдэхүүнүүд нь электродын гадаргуу дээрх SEI хальсыг гэмтээж, эерэг электродын идэвхтэй бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг уусгаж, дугуй унах үед хүчин чадал мууддаг.
LiBF нь бас түгээмэл хэрэглэгддэг литийн давсны нэмэлт юм. LiPF6-тай харьцуулахад LiBF нь илүү өргөн температурын хүрээтэй, өндөр{2}}температурын тогтвортой байдал, бага{3}}температурын өндөр үзүүлэлттэй. LiBF нь өндөр дамжуулалттай, өргөн цахилгаан химийн цонхтой, дулааны тогтвортой байдлыг хангадаг. Үүний хамгийн том давуу тал нь SEI хальс үүсгэхэд шууд оролцох боломжтой тул хальс үүсгэх шинж чанартаа оршдог.
Бүтцийн хувьд LiDFOB нь LiBOB ба LiBF-ийн хагас-молекулуудаас бүрдэх бөгөөд LiBOB-ийн сайн хальс үүсгэх шинж чанар-болон LiBF4-ийн бага{2}}температурын сайн гүйцэтгэлийн давуу талуудыг нэгтгэдэг. LiBOB-тай харьцуулахад LiDFOB нь шугаман карбонатын уусгагчид уусдаг, электролитийн дамжуулалт өндөртэй байдаг. Түүний өндөр-температур болон бага{6}}температурын үзүүлэлтүүд нь LiPF4-ээс илүү бөгөөд батерейны катодтой сайн зохицож, хөнгөн цагаан тугалган цаасны гадаргуу дээр идэвхгүй хальс үүсгэж, электролитийн исэлдэлтийг саатуулдаг.
LiTFSI бүтэц дэх CF₃SO₂ бүлгүүд нь электрон татах хүчтэй нөлөөтэй- бөгөөд энэ нь сөрөг цэнэгийн делокализацийг нэмэгдүүлж, ионы холболтыг багасгаж, давсны уусах чадварыг нэмэгдүүлдэг. Цаашилбал, LiTFSI нь өндөр цахилгаан дамжуулах чадвартай, дулаан задралын өндөр температуртай, амархан гидролизд ордоггүй; гэхдээ 3.7В-оос дээш хүчдэлд хөнгөн цагааны гүйдлийн коллекторуудыг хүчтэй зэврүүлнэ.
LiFSI молекул дахь фторын атомууд нь хүчтэй электрон татах шинж чанартай бөгөөд энэ нь N-ийн сөрөг цэнэгийг задруулж, ионуудын сул холбоо, Li+-ийн хялбар диссоциацийг үүсгэж улмаар өндөр цахилгаан дамжуулах чанарт хүргэдэг.
LiPO2F2 нь бага{2}}температурын сайн үзүүлэлттэй бөгөөд электролитийн өндөр-температурын гүйцэтгэлийг сайжруулдаг. Нэмэлт бодисын хувьд энэ нь сөрөг электродын гадаргуу дээр LixPOyFz болон LiF-ээр баялаг SEI хальс үүсгэж, зайны интерфэйсийн эсэргүүцлийг бууруулж, батерейны ашиглалтын ажиллагааг сайжруулахад тусалдаг. Гэсэн хэдий ч LiPO2F2 нь уусах чадвар багатай байдаг.
-ийн гол бүрэлдэхүүн хэсэгшингэн электролитнь органик уусгагч бөгөөд литийн давсыг уусгаж, литийн ионыг зөөвөрлөгчөөр хангадаг. Литиум{1}}ионы батерейны электролитийн хамгийн тохиромжтой органик уусгагч нь дараах нөхцлийг хангасан байх шаардлагатай.
1) Өндөр диэлектрик тогтмол, литийн давсыг хүчтэй уусгах чадвартай.
2) Бага хайлах, буцалгах өндөр температур, өргөн температурт шингэн төлөвийг хадгалах.
3) Бага зуурамтгай чанар, литийн{1}}ионы тээвэрлэлтийг хөнгөвчилдөг.
4) Химийн тогтвортой байдал, эерэг ба сөрөг электродын бүтцийг гэмтээхгүй, эерэг ба сөрөг электродын материалыг уусгахгүй.
5) Өндөр галын цэг, сайн аюулгүй, хямд өртөгтэй, -хоргүй, бохирдуулдаггүй-.
Лити{0}}ионы батерейны электролитэд хэрэглэгддэг нийтлэг органик уусгагчийг Зураг 7-6-д үзүүлсний дагуу карбонат уусгагч ба органик эфир уусгагч гэж хуваадаг. Өндөр хүчин чадалтай лити-ион батерейны электролит авахын тулд ихэвчлэн хоёр буюу түүнээс дээш органик уусгагч агуулсан холимог уусгагчийг ашигладаг бөгөөд энэ нь бие биенээ нөхөж, ерөнхий гүйцэтгэлийг сайжруулах боломжийг олгодог. Энгийн карбонатын уусгагчийн физик шинж чанарыг Хүснэгт 7-1-д үзүүлэв.
Хүснэгт 7-1 Энгийн карбонатын уусгагчийн физик шинж чанар
| Органик уусгагч | Харьцангуй диэлектрик тогтмол | Хайлах цэг/ градус | Буцлах цэг/ градус | Зуурамтгай байдлын коэффициент |
|---|---|---|---|---|
| Этилен карбонат (EC) | 89.6 | 37 | 243 | 1.86 |
| Пропилен карбонат (PC) | 64.4 | -55 | 240 | 2.53 |
| Диметил карбонат (DMC) | 0.59 | 2 | 91 | 0.59 |
| Диэтил карбонат (DEC) | 2.8 | -43 | 126 | 0.75 |
| Этил метил карбонат (EMC) | 3.0 | -53 | 108 | 0.65 |
Органик эфирийн уусгагчид голчлон 1,2-диметоксипропан (DMP), диметоксиметан (DMM), этилен гликол диметил эфир (DME) зэрэг гинжин эфирүүд болон тетрахидрофуран (THF) болон 2-метанил 2-метанилФ) зэрэг цикл эфирүүд орно. Гинжин эфирийн уусгагчийн хувьд нүүрстөрөгчийн гинж урт байх тусам химийн тогтвортой байдал сайн байх боловч зуурамтгай чанар өндөр, лити-ионы шилжилтийн хурд бага байдаг. Этилен гликол диметил эфир нь литийн гексафторофосфаттай харьцангуй тогтвортой хелат (LiPF6 · DME) үүсгэж, литийн давсыг уусгах хүчтэй, электролитийн өндөр дамжуулалтыг бий болгодог. Гэсэн хэдий ч DME нь химийн тогтвортой байдал муутай бөгөөд сөрөг электродын материалын гадаргуу дээр тогтвортой идэвхгүй хальс үүсгэж чадахгүй.
Карбонатын уусгагчид пропилен карбонат (PC) ба этилен карбонат (EC) зэрэг цикл карбонатууд, диметил карбонат (DMC), диэтил карбонат (DEC), метил этил карбонат (EMC) зэрэг гинжин карбонатууд орно. Цикл карбонатууд нь диэлектрик тогтмол өндөртэй тул литийн давсыг илүү уусдаг боловч өндөр зуурамтгай чанар нь литийн-ионы шилжилтийн хурдыг бууруулдаг. Гинжин карбонатууд нь диэлектрик тогтмол багатай, литийн давсны уусах чадвар багатай боловч зуурамтгай чанар багатай, сайн урсах чадвартай тул литийн -ионы шилжилтийг хөнгөвчилдөг.
Лити-ионы электролитийн -галд тэсвэртэй нэмэлтүүдийн төрлийг Зураг 7-7-д үзүүлэв. Бага хэмжээгээр хэрэглэдэг нэмэлтүүд нь мэдэгдэхүйц нөлөө үзүүлдэг бөгөөд лити{5}}ион батерейны гүйцэтгэлийг сайжруулах хэмнэлттэй, практик арга юм. Литиум{6}}ионы батерейны электролитэд бага хэмжээний нэмэлт бодис нэмснээр лити{6}}ионы батерейнд чухал үүрэг гүйцэтгэдэг урвуу хүчин чадал, электрод/электролитийн нийцтэй байдал, мөчлөгийн гүйцэтгэл, хурдны гүйцэтгэл, аюулгүй байдлын гүйцэтгэл зэрэг батерейны гүйцэтгэлийн тодорхой үзүүлэлтүүдийг сайжруулах боломжтой. Лити-ион батерейны хамгийн тохиромжтой электролит нэмэлт нь дараах дөрвөн шинж чанарыг агуулсан байх ёстой.
1) Органик уусгагчид өндөр уусдаг.
2) Бага хэмжээ нь нэг буюу хэд хэдэн гүйцэтгэлийн шинж чанарыг мэдэгдэхүйц сайжруулж чадна.
3) Батерейны гүйцэтгэлд нөлөөлдөг бусад батерейны бүрэлдэхүүн хэсгүүдэд хортой гаж нөлөө үзүүлэхгүй.
4) Үнэ багатай, хоргүй{1}}эсвэл хоруу чанар багатай.
Нэмэлтүүдийг функцээр нь дамжуулагч нэмэлт, хэт цэнэглэхээс хамгаалах нэмэлт, галд тэсвэртэй нэмэлт, SEI хальс{0}}бүрдүүлэгч нэмэлт, катодын материал хамгаалагч, LiPF6 тогтворжуулагч болон бусад функциональ нэмэлтүүд гэж ангилж болно.
Дамжуулагч нэмэлтүүд нь электролитийн ионуудтай зохицож, литийн давсны уусалтыг дэмжиж, электролитийн дамжуулалтыг нэмэгдүүлснээр литийн{0}}ионы батерейны хурдны гүйцэтгэлийг сайжруулдаг. Дамжуулагч нэмэлтүүд нь зохицуулалтын урвалаар ажилладаг тул тэдгээрийг лигандын нэмэлтүүд гэж нэрлэдэг бөгөөд харилцан үйлчлэлийн ионоор нь анион, катион, саармаг лиганд гэж ангилдаг.
Хэт цэнэглэхээс хамгаалах нэмэлтүүд нь хэт цэнэглэхээс хамгаалах эсвэл хэт цэнэглэх тэсвэрлэх чадварыг нэмэгдүүлдэг. Тэдгээрийг функциональ байдлаар исэлдүүлэгч нэмэлт ба мономер нэмэлт гэж ангилдаг. Одоогийн байдлаар исэлдэлтийн нэмэлтүүд нь голчлон анизолын цуврал бөгөөд тэдгээр нь исэлдэлтийн потенциал өндөр, уусах чадвар сайтай байдаг. Мономер нэмэлтүүд нь өндөр хүчдэлийн дор полимержих урвалд орж, хий ялгаруулж, полимер нь катодын материалын гадаргууг бүрхэж, цэнэглэлтийг тасалдуулдаг. Мономер нэмэлтүүд нь ихэвчлэн ксилол, фенилциклогексан зэрэг үнэрт нэгдлүүдийг агуулдаг.
Галд тэсвэртэй нэмэлтүүд нь электролитийн гал асаах цэгийг нэмэгдүүлэх эсвэл шаталтыг саатуулдаг чөлөөт радикал гинжин урвалыг зогсоох замаар ажилладаг. Тэдний төрлийг Зураг 7-8-д үзүүлэв. Галд тэсвэртэй бодис нэмэх нь электролитийн шатамхай чанарыг бууруулах, лити-ион батерейны ажиллах температурын хүрээг өргөтгөх, гүйцэтгэлийг сайжруулах чухал арга замуудын нэг юм. Галд тэсвэртэй нэмэлтүүдийн үйл ажиллагааны механизм нь үндсэндээ хоёр талтай.
1) Хийн фаз ба өтгөрүүлсэн фазын хооронд тусгаарлагч давхарга үүсгэснээр конденсац болон хийн фазын аль алинд нь шатахаас сэргийлдэг.
2) Тэд шаталтын урвалын явцад чөлөөт радикалуудыг барьж, хийн фазын хоорондох шаталтын урвалыг дарангуйлдаг чөлөөт радикал гинжин урвалыг зогсооно.
