◆Хатуу электролитийн танилцуулга
Зайлшгүй зайлшгүй бүрэлдэхүүн хэсэг болох электролитлити{0}}ион батерей, батерейг цэнэглэх-цахилгаануудад шийдвэрлэх үүрэг гүйцэтгэдэг.
Энэ нь зөвхөн литийн ионуудыг үр ашигтай тээвэрлэх, гүйдэл дамжуулах үүрэгтэй төдийгүй эерэг ба сөрөг электродуудын хооронд шууд электрон урсгалаас үр дүнтэй урьдчилан сэргийлэх электрон тусгаарлагч шинж чанартай байдаг. Дүрсээр хэлбэл, электролит нь литийн ион батерейны доторх "цус"-тай адил бөгөөд эерэг ба сөрөг электродын материалын хоорондох холболтыг хангаж, улмаар цэнэг-цэнэглэх үйл явц жигд явагдах баталгаа болдог.
Литиум ион батерейнд хамгийн тохиромжтой электролит нь дараах таван шаардлагыг хангасан байх ёстой:
(1) High ionic conductivity (>10⁻3S/см).
(2) Wide electrochemical window (>4.5 В-ийн эсрэг Ли+/Ли).
(3) Электродтой сайн нийцэж, хамгийн бага интерфэйсийн эсэргүүцлийг хадгална.
(4) Маш сайн дулааны болон химийн тогтвортой байдал нь батерейг температурын өргөн хүрээнд аюулгүй ажиллуулах боломжийг олгодог.
(5) Үнэ багатай, хоруу чанар багатай, байгаль орчинд ээлтэй.
Батерейны эрчим хүчний нягтрал болон эрчим хүчний нягтралын -өсөн нэмэгдэж буй эрэлтийн үед батерейны технологи хурдацтай хөгжиж, электродын материалууд асар их ахиц дэвшил гаргасан. Үүний эсрэгээр электролитийн системийн хөгжил хоцорч байна. Одоогийн байдлаар литийн-ионы батерейны электролитийн хөгжлийг ерөнхийд нь гурван төрөлд ангилж болно:-усгүй уусгагч электролит, усан электролит, хатуу-төлөв электролит.
Усан бус уусгагч электролит-
Лити-ионы батерейны-усгүй уусгагч электролитууд нь гол төлөв уусгагч, ууссан бодис (ихэвчлэн литийн давс) болон нэмэлтүүдээс бүрдэх ус агуулаагүй электролитийн системийг хэлнэ. Эдгээр{3}}усан бус уусгагчид нь усны электролиз эсвэл электродын материалд үзүүлэх сөрөг урвалаас зайлсхийхийн тулд усан уусгагч биш харин органик уусгагч юм. Литийн давс нь литийн-ионыг зөөвөрлөх үндсэн тээвэрлэгч бөгөөд уусгагч нь литийн давсыг уусгах, тараах, дэмжих үүрэг гүйцэтгэдэг ба нэмэлтүүд нь голчлон лити{6}}ионы батерейны цахилгаан химийн үзүүлэлт эсвэл аюулгүй байдлыг сайжруулах үүрэгтэй.
Лити{2}}ионы батерейнд ашигладаг худалдаанд гарсан электролитууд (өөрөөр хэлбэл шингэн электролитууд) нь үндсэндээ хоёр буюу түүнээс дээш органик уусгагчид ууссан нэг буюу хэд хэдэн литийн давсуудаас бүрддэг; нэг уусгагчаас бүрдэх электролитууд маш ховор байдаг. Олон уусгагч ашиглах болсон шалтгаан нь бодит{4}}дэлхийн батерейнууд өөр өөр, бүр зөрчилдөөнтэй шаардлага тавьдаг тул нэг уусгагчаар хангахад хэцүү байдаг. Жишээлбэл, электролит нь өндөр шингэнийг шаарддаг бөгөөд өндөр диэлектрик тогтмолтай байдаг; иймээс өөр өөр физик-химийн шинж чанартай уусгагчийг ихэвчлэн хослуулан хэрэглэдэг бөгөөд өөр өөр шинж чанарыг нэгэн зэрэг харуулдаг. Цаашилбал, литийн давсыг сонгох нь хязгаарлагдмал, давуу тал нь тийм ч амархан харагддаггүй тул литийн давсыг нэгэн зэрэг ашигладаггүй.
Тохиромжтой органик уусгагчид дараах үндсэн шинж чанаруудыг эзэмшсэн байх ёстой: Нэгдүгээрт, литийн давсыг сайн уусгахын тулд өндөр диэлектрик тогтмол байх шаардлагатай; хоёрдугаарт, электролитийн ажиллах температурын хүрээг өргөжүүлэхийн тулд тэдгээр нь бага хайлах цэг, өндөр буцалгах цэгтэй байх ёстой; гуравдугаарт, бага зуурамтгай чанар нь орчинд литийн ионуудын үр ашигтай шилжилтийг дэмжихэд тусалдаг; эцэст нь эдгээр уусгагч нь хямд, хоруу чанар багатай (хамгийн тохиромжтой-хоргүй) байх ёстой. Карбонатын нэгдлүүд нь литийн ион батерейны үйлдвэрлэлд хамгийн эртний бөгөөд хамгийн өргөн хэрэглэгддэг органик уусгагчдын нэг болох ба батерейны электролитийн салбарт чухал байр суурийг эзэлдэг.
Одоогийн байдлаар энэ төрлийн уусгагч нь цикл ба гинжин гэсэн хоёр бүтцийн хэлбэрийг агуулдаг. Доорх хүснэгтэд түгээмэл хэрэглэгддэг хэд хэдэн усан бус уусгагч, электролит болон органик уусгагчийн холбогдох физик үзүүлэлтүүдийг нэгтгэн харуулав.
| Ангилал | Төрөл | Бүтэц | Хайлах цэг (зэрэг) | Буцлах цэг (зэрэг) | Хувь хүний уурын даралт (25 градус) | Харьцангуй нягт (25 градус)/(mPa·s) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Этилен карбонат (EC) | Цикл | 36.4 | 248 | 89,780 | 1.904 (40 градус) | |
| Пропилен карбонат (PC) | Цикл | -48.4 | 242 | 64,920 | 2.53 | |
| Карбонатууд | Бутилен карбонат (BC) | Цикл | -54.0 | 240 | 53,000 | 3.20 |
| Диметил карбонат (DMC) | Шугаман | 4.6 | 91 | 3,107 | 0.59 | |
| Диэтил карбонат (DEC) | Шугаман | -74.3 | 126 | 2,805 | 0.75 | |
| Этил метил карбонат (EMC) | Шугаман | -53.0 | 110 | 2,958 | 0.65 |
Одоогийн байдлаар алкилкарбонатын уусгагчийг электролитэд өргөн ашигладаг. Эдгээр уусгагч нь исэлдэлтийн сайн эсэргүүцэлтэй бөгөөд өндөр хүчдэлийн нөхцөлд маш сайн тогтвортой байдлыг харуулдаг. Этилен карбонат, пропилен карбонат зэрэг циклийн карбонатууд нь өндөр диэлектрик тогтмол гэдгээрээ алдартай бөгөөд энэ нь литийн давсыг илүү үр дүнтэй уусгах чадвартай; Гэсэн хэдий ч молекул хоорондын хүчтэй хүчний улмаас эдгээр уусгагч нь өндөр зуурамтгай чанар бөгөөд тэдгээрийн доторх литийн ионуудын хөдөлгөөнийг удаашруулдаг. Үүний эсрэгээр диметил карбонат ба диэтил карбонат зэрэг гинжин карбонатууд нь зуурамтгай чанар багатай ч харьцангуй бага диэлектрик тогтмол байдаг тул литийн давсыг уусгах үр ашиг харьцангуй муу байдаг. Иймээс өндөр ионы дамжуулалт бүхий уусмалын системийг бэлтгэхийн тулд PC+DEC эсвэл EC+DMC хослол гэх мэт янз бүрийн төрлийн уусгагчийг ихэвчлэн хольдог. Литийн давс нь электролит дэх литийн ионы эх үүсвэр болохын хувьд лити ион батерейг цэнэглэх, цэнэглэх явцад лити ионы тээвэрлэлтэнд гол үүрэг гүйцэтгэдэг. Тэдгээрийн гүйцэтгэл нь эрчим хүчний нягтрал, эрчим хүчний нягтрал, ажиллах хүчдэлийн хүрээ, ашиглалтын хугацаа, аюулгүй байдал зэрэг лити-ион батерейны{10}}олон зүйлд шууд нөлөөлдөг. Одоогийн байдлаар лабораторийн судалгаа, үйлдвэрлэлийн практикт их хэмжээний анион радиустай, исэлдэлтийн тогтвортой байдал өндөртэй литийн давсыг ихэвчлэн сонгодог. Химийн найрлагаас хамааран литийн давсыг органик бус литийн давс ба органик литийн давс гэж хоёр төрөлд хувааж болно. LiPF6, LiClO4, LIBF, LIASF зэрэг хэд хэдэн органик бус литийн давсыг боловсруулсан. Үүний эсрэгээр, лити-ионы батерейнд түгээмэл хэрэглэгддэг органик литийн давсыг эдгээр органик бус литийн давсуудын анионуудад литийн диоксалат-борат (LiBOB), литиумтоалади{0} луорооксалади{2} зэрэг органик бус литийн давсны анионуудад электрон татах бүлэг нэмэх замаар томъёолдог. ([iODFB]), литийн дифторсульфонилимид (LiFSI) болон литийн дитрифторметилсульфонилимид (LTFSI). Доорх хүснэгтэд лити ион батерейнд түгээмэл хэрэглэгддэг хэд хэдэн лити давсны физик-химийн шинж чанарыг харуулав.
| Ангилал | Лити давс | Молекулын жин (г/моль) | Карбонатад уусдаг уу? | Усанд уусдаг уу? | Цахилгаан дамжуулах чанар (1 моль/л, EC/DMC, 20 градус) (мС/см) |
|---|---|---|---|---|---|
| Органик бус литийн давс | LiPF₆ | 151.91 | Тиймээ | Тиймээ | 10.00 |
| LiBF₄ | 93.74 | Тиймээ | Тиймээ | 4.50 | |
| LiClO₄ | 106.40 | Тиймээ | Тиймээ | 9.00 | |
| Органик литийн давс | LiTFSI | 287.08 | Тиймээ | Тиймээ | 6.18 |
| LiFSI | 187.07 | Тиймээ | Тиймээ | 10.40 | |
| LiBOB | 193.79 | Тиймээ | Тиймээ | 0.65 |
Нэмэлтүүд нь электролитэд бага концентрацитай (ихэвчлэн массын 10% -иас ихгүй) нэмсэн бодис бөгөөд тодорхой үүрэг гүйцэтгэдэг бөгөөд батерейны цахилгаан химийн шинж чанарыг эрс сайжруулдаг. Гүйцэтгэлд нь үндэслэн эдгээр нэмэлтүүдийг хэд хэдэн ангилалд ерөнхийд нь ангилж болно: хальс үүсгэгч-хэлбэр үүсгэгч, галд тэсвэртэй бодис, хэт цэнэглэхээс сэргийлэх нэмэлтүүд. Үүнээс гадна цахилгаан дамжуулах чанарыг сайжруулах, бага{4}}температурын нөхцөлд гүйцэтгэлийг оновчтой болгох, электролитийн уусмал дахь ул мөрийн хэмжээ болон HF концентрацийг хянах нэмэлтүүд байдаг.