◆Што такое водныя электраліты?
◆Уводзіны ў цвёрдыя электраліты
Электраліт, незаменны кампанентлітый{0}}іённыя батарэі, адыгрывае вырашальную ролю ў цыклах-разрадкі акумулятара.
Ён не толькі адказвае за эфектыўны транспарт іёнаў літыя і правядзенне току, але таксама валодае электроннымі ізаляцыйнымі ўласцівасцямі, каб эфектыўна прадухіляць прамы паток электронаў паміж станоўчым і адмоўным электродамі. Вобразна кажучы, электраліт падобны на "кроў" у літый-іённым акумулятары, які забяспечвае злучэнне паміж матэрыяламі станоўчага і адмоўнага электродаў, тым самым гарантуючы плаўны ход усяго працэсу-разраду зарада.
Ідэальны электраліт для літый-іённай батарэі павінен адпавядаць наступным пяці патрабаванням:
(1) High ionic conductivity (>10⁻3S/см).
(2) Wide electrochemical window (>4,5 В супраць Li+/Li).
(3) Добрая сумяшчальнасць з электродамі, захаванне мінімальна магчымага міжфазнага супраціўлення.
(4) Выдатная тэрмічная і хімічная стабільнасць, якая дазваляе бяспечна працаваць батарэі ў шырокім дыяпазоне тэмператур.
(5) Нізкі кошт, нізкая таксічнасць і экалагічнасць.
З пастаянна-нарастаючымі патрабаваннямі да шчыльнасці энергіі акумулятара і шчыльнасці магутнасці, тэхналогія акумулятараў хутка развіваецца, і электродныя матэрыялы дасягнулі велізарнага прагрэсу. Наадварот, развіццё электралітных сістэм адстае. У цяперашні час распрацоўку электралітаў для літый-іённых акумулятараў можна падзяліць на тры тыпы: не-водныя электраліты з растваральнікамі, водныя электраліты і цвёрдыя-электраліты.
Электраліт без{0}}воднага растваральніка
Не{0}}электраліты з воднымі растваральнікамі ў літый-іённых батарэях адносяцца да сістэм электралітаў, якія не ўтрымліваюць вады і ў асноўным складаюцца з растваральнікаў, раствораных рэчываў (звычайна соляў літыя) і дадаткаў. Гэтыя не-водныя растваральнікі звычайна з'яўляюцца арганічнымі, а не воднымі растваральнікамі, каб пазбегнуць электролізу вады або пабочных рэакцый з электроднымі матэрыяламі. Солі літыя з'яўляюцца асноўнымі носьбітамі для транспарціроўкі-іёнаў літыя, растваральнікі служаць для растварэння, дысперсіі і падтрымкі для соляў літыя, а дабаўкі галоўным чынам функцыянуюць для паляпшэння электрахімічных характарыстык або бяспекі літый-іённых батарэй.
Камерцыйна даступныя электраліты (напрыклад, вадкія электраліты), якія выкарыстоўваюцца ў літый-іённых батарэях, у асноўным складаюцца з адной або некалькіх соляў літыя, раствораных у двух або больш арганічных растваральніках; электраліты, якія складаюцца з аднаго растваральніка, сустракаюцца вельмі рэдка. Прычына выкарыстання некалькіх растваральнікаў у тым, што-рэальныя батарэі маюць розныя, нават супярэчлівыя патрабаванні, якім цяжка задаволіць, выкарыстоўваючы адзіны растваральнік. Напрыклад, электраліты могуць патрабаваць высокай цякучасці, адначасова маючы высокую дыэлектрычную пранікальнасць; такім чынам, растваральнікі з рознымі фізіка-хімічнымі ўласцівасцямі часта выкарыстоўваюцца ў камбінацыі, дэманструючы розныя характарыстыкі адначасова. Акрамя таго, солі літыя, як правіла, не выкарыстоўваюцца адначасова, таму што выбар соляў літыя абмежаваны, і іх перавагі не так проста відавочныя.
Ідэальныя арганічныя растваральнікі павінны валодаць наступнымі ключавымі ўласцівасцямі: па-першае, ім патрэбна высокая дыэлектрычная пранікальнасць, каб забяспечыць добрае растварэнне соляў літыя; па-другое, яны павінны мець нізкую тэмпературу плаўлення і высокую тэмпературу кіпення, каб пашырыць дыяпазон працоўных тэмператур электраліта; па-трэцяе, нізкая глейкасць спрыяе эфектыўнай міграцыі іёнаў літыя ў асяроддзі; і, нарэшце, гэтыя растваральнікі павінны быць недарагімі і мець нізкую таксічнасць (у ідэале не-таксічныя). Карбанатныя злучэнні, як адзін з самых першых і найбольш шырока выкарыстоўваных арганічных растваральнікаў у прамысловасці літый-іённых акумулятараў, займаюць важнае месца ў галіне электралітаў для акумулятараў.
У цяперашні час гэты тып растваральніка ўключае ў сябе ў асноўным дзве структурныя формы: цыклічную і ланцуговую. У табліцы ніжэй прыведзены адпаведныя фізічныя параметры некалькіх часта выкарыстоўваюцца не-водных растваральнікаў, электралітаў і арганічных растваральнікаў.
| Катэгорыя | Тып | Структура | Тэмпература плаўлення (градус) | Тэмпература кіпення (градус) | Індывідуальны ціск пары (25 градусаў) | Адносная шчыльнасць (25 градусаў)/(мПа·с) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Этыленкарбанат (EC) | Цыклічны | 36.4 | 248 | 89,780 | 1,904 (40 градусаў) | |
| Прапіленкарбанат (ПК) | Цыклічны | -48.4 | 242 | 64,920 | 2.53 | |
| Карбанаты | Бутыленкарбанат (BC) | Цыклічны | -54.0 | 240 | 53,000 | 3.20 |
| Диметилкарбанат (DMC) | Лінейны | 4.6 | 91 | 3,107 | 0.59 | |
| Диэтилкарбанат (DEC) | Лінейны | -74.3 | 126 | 2,805 | 0.75 | |
| Этилметилкарбанат (EMC) | Лінейны | -53.0 | 110 | 2,958 | 0.65 |
У цяперашні час алкилкарбонатные растваральнікі шырока выкарыстоўваюцца ў электралітах. Гэтыя растваральнікі валодаюць добрай устойлівасцю да акіслення і дэманструюць выдатную стабільнасць ва ўмовах высокага напружання. Цыклічныя карбанаты, такія як этыленкарбанат і прапіленкарбанат, вядомыя сваёй высокай дыэлектрычнай пранікальнасцю, што азначае, што яны могуць больш эфектыўна раствараць солі літыя; аднак з-за моцных міжмалекулярных сіл гэтыя растваральнікі маюць высокую глейкасць, што запавольвае рух іёнаў літыя ўнутры іх. Наадварот, ланцуговыя карбанаты, такія як дыметылкарбанат і дыэтылкарбанат, хоць і маюць меншую глейкасць, але таксама маюць адносна нізкія дыэлектрычныя канстанты, што прыводзіць да адносна нізкай эфектыўнасці растварэння соляў літыя. Таму для падрыхтоўкі сістэм раствораў з найвышэйшай іённай праводнасцю часта змешваюць розныя тыпы растваральнікаў, напрыклад камбінацыі PC+DEC або EC+DMC. Солі літыя, як крыніца іонаў літыя ў электраліце, гуляюць важную ролю ў транспарціроўцы-іёнаў літыя падчас працэсу зарадкі і разрадкі літый-іённых акумулятараў. Іх прадукцыйнасць непасрэдна ўплывае на многія аспекты літый-іённых акумулятараў, у тым ліку на шчыльнасць энергіі, шчыльнасць магутнасці, дыяпазон працоўнага напружання, жыццёвы цыкл і бяспеку. У цяперашні час у лабараторных даследаваннях і прамысловай практыцы звычайна выбіраюцца солі літыя з вялікімі аніённымі радыусамі і высокай акісляльна-аднаўленчай стабільнасцю. Зыходзячы з іх хімічнага складу, солі літыя можна ў цэлым падзяліць на дзве катэгорыі: неарганічныя солі літыя і арганічныя солі літыя. Было распрацавана некалькі неарганічных соляў літыя, у тым ліку LiPF6, LiClO4, LIBF і LIASF. Наадварот, арганічныя солі літыя, якія звычайна выкарыстоўваюцца ў літый-іённых батарэях, утвараюцца шляхам дадання-акцептарных груп да аніёнаў гэтых неарганічных соляў літыя, такіх як дыяксалата-барат літыя (LiBOB), дыфтораксалата-борат літыя ([iODFB]), літый дыфторсульфанілімід (LiFSI) і дытрыфтарметилсульфонилимид літыя (LTFSI). У табліцы ніжэй паказаны адпаведныя фізіка-хімічныя ўласцівасці некалькіх часта выкарыстоўваюцца соляў літыя ў літый-іённых батарэях.
| Катэгорыя | Соль літыя | Малекулярная маса (г/моль) | Раствараецца ў карбанатах? | Растваральны ў вадзе? | Электраправоднасць (1 моль/л, EC/DMC, 20 градусаў) (мСм/см) |
|---|---|---|---|---|---|
| Неарганічныя солі літыя | LiPF₆ | 151.91 | так | так | 10.00 |
| LiBF₄ | 93.74 | так | так | 4.50 | |
| LiClO₄ | 106.40 | так | так | 9.00 | |
| Арганічныя солі літыя | Літфсі | 287.08 | так | так | 6.18 |
| LiFSI | 187.07 | так | так | 10.40 | |
| LiBOB | 193.79 | так | так | 0.65 |
Дабаўкі - гэта рэчывы, якія дадаюцца ў электраліт у нізкіх канцэнтрацыях (звычайна не больш за 10% па масе), якія выконваюць пэўныя функцыі і могуць значна палепшыць электрахімічныя характарыстыкі батарэі. Зыходзячы з іх функцый, гэтыя дабаўкі можна ў цэлым падзяліць на некалькі катэгорый: плён-ўтваральныя дабаўкі, антыпірэны і дабаўкі для прадухілення перазарадкі. Акрамя таго, існуюць дабаўкі, якія выкарыстоўваюцца для павышэння электраправоднасці, аптымізацыі прадукцыйнасці пры нізкіх-тэмпературных умовах або кантролю слядоў і канцэнтрацыі HF у растворы электраліта.