ภาพรวมอิเล็กโทรไลต์แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

ครั้งแรกอิเล็กโทรไลต์แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

อิเล็กโทรไลต์เป็นหนึ่งในสี่วัสดุหลักสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน เลือดของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนคือการรับประกันสำหรับพลังงานแรงดันสูงและพลังงานสูงของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน อิเล็กโทรไลต์ส่วนใหญ่ประกอบด้วยตัวทำละลายอินทรีย์ความบริสุทธิ์สูงเกลือลิเธียมอิเล็กโทรไลต์และวัตถุดิบของสารเติมแต่งที่จำเป็นและจัดทำขึ้นตามอัตราส่วนที่แน่นอนภายใต้เงื่อนไขบางประการ

1.1 ตัวทำละลายอินทรีย์

ตัวทำละลายอินทรีย์มักจะผสมกับตัวทำละลายคงที่ไดอิเล็กทริกสูงในตัวทำละลายความหนืดต่ำ อิเล็กโทรไลต์เกลือลิเธียมอิเล็กโทรไลต์ที่ใช้กันทั่วไปคือโพแทสเซียมเปอร์คลอเรตโพแทสเซียม hexafluorophosphate โพแทสเซียม tetrafluoroborate ฯลฯ ในมุมมองของค่าใช้จ่ายความปลอดภัยและไม่ชอบโพแทสเซียม hexafluorophosphate อิเล็กโทรไลต์หลักที่ใช้ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเชิงพาณิชย์

ตัวทำละลายอินทรีย์ที่ใช้กันทั่วไปในอิเล็กโทรไลต์แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนคือเอทิลีนคาร์บอเนต (EC) ไดเอทิลคาร์บอเนต (DEC), ไดเมทิลคาร์บอเนต (DMC), เอทิลเมธิลคาร์บอเนต (EMC), โพรพิลีนคาร์บอเนต (PC), กรดอะคริลิคบีเอสเตอร์ (EA) อะคริเลต (MA) และอื่น ๆ ตัวทำละลายอินทรีย์ต้องถูกควบคุมอย่างเข้มงวดก่อนใช้งาน ความบริสุทธิ์ของตัวทำละลายนั้นสัมพันธ์กับแรงดันไฟฟ้าที่เสถียร ความชื้นของตัวทำละลายอินทรีย์มีบทบาทสำคัญในการกำหนดอิเล็กโทรไลต์ที่มีคุณสมบัติ การลดน้ำลงต่ำกว่า 10-6 สามารถลดการสลายตัวของลิเธียม hexafluorophosphate ชะลอการสลายตัวของฟิล์ม SEI และป้องกันการเพิ่มขึ้นของก๊าซ ความชื้นสามารถทำได้โดยการดูดซับของโมเลกุลการกลั่นในบรรยากาศหรือสูญญากาศและการแนะนำของก๊าซเฉื่อย เพื่อให้ได้สารละลายที่มีอิออนค่าการนำไฟฟ้าสูงเพื่อให้ลิเธียมไอออนเคลื่อนที่อย่างรวดเร็วนั้นตัวทำละลายมักเป็นวัสดุผสมเช่นเอทิลีนคาร์บอเนต (EC) + ไดเมทิลคาร์บอเนต (DMC), เอทิลีนคาร์บอเนต (EC) + diethyl คาร์บอเนต เอสเตอร์ (DEC)

1.2 เกลือลิเธียมอิเล็กโทรไลต์

เกลือลิเธียมอิเล็กโทรไลต์คิดเป็นต้นทุนอิเล็กโทรไลต์ที่ใหญ่ที่สุดคิดเป็น 40% ของค่าอิเล็กโทรไลต์ LiPF6 เป็นเกลือลิเธียมอิเล็กโทรไลต์อิเล็กโทรไลต์ที่ใช้กันมากที่สุดซึ่งมีความเสถียรต่ออิเล็กโทรดเชิงลบมีค่าการนำไฟฟ้าสูงกำลังการไหลขนาดใหญ่ความต้านทานภายในขนาดเล็กและค่าใช้จ่ายและความเร็วการคายประจุที่รวดเร็ว อย่างไรก็ตามมันมีความไวต่อความชื้นและ HF และควรทำปฏิกิริยาในบรรยากาศที่แห้ง (เช่นกล่องถุงมือ) ไม่ทนต่ออุณหภูมิสูงและเกิดปฏิกิริยาการสลายตัวที่ 80 ° C ถึง 100 ° C เพื่อสร้างฟอสฟอรัสเพนทาฟลูออไรด์และลิเธียมฟลูออไรด์ . เมื่อพิจารณาถึงต้นทุนความปลอดภัยและด้านอื่น ๆ ลิเทียมเฮกซาฟลูออโรฟอสเฟตมีข้อดีของการนำอิออนที่โดดเด่นมีความเสถียรต่อการเกิดออกซิเดชันที่เหนือกว่าและมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อมต่ำ ปัจจุบันเป็นอิเล็กโทรไลต์แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ต้องการและยังใช้ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเชิงพาณิชย์ อิเล็กโทรไลต์หลัก นอกจากนี้ LiBF4, LiPF6, LiBOB, LiFSI, LiPF2, LiTDI และซีรีส์อื่น ๆ ของระบบเกลืออิเล็กโทรไลต์เกลือลิเธียมที่มีความปลอดภัยสูงและประสิทธิภาพวงจรที่ดีได้ดึงดูดความสนใจ

1.2.1 ลิเทียมเฮกซาฟลูออโรฟอสเฟต

ในปัจจุบันการวิจัยที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการเตรียมการของ LiPF6 นั้นส่วนใหญ่แบ่งออกเป็นสองประเภท: วิธีการตัวทำละลาย HF และวิธีการแลกเปลี่ยนไอออน HF วิธีการตัวทำละลายเป็นวิธีดั้งเดิมที่สุดในการเตรียม LiPF6 โดยการละลาย LiF ในตัวทำละลาย HF จากนั้นแนะนำสารที่มีฟอสฟอรัสหรือฟลูออรีนโดยตรงและระเหยหรือทำให้เย็นลงหลังจากการทำปฏิกิริยาเพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย วิธีการเป็นวิธีการหลักของอุปกรณ์อุตสาหกรรมและ LiPF6 ที่เตรียมไว้นั้นมีความบริสุทธิ์สูงและคุณภาพดีและเหมาะสำหรับความต้องการการผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมระดับไฮเอนด์ อย่างไรก็ตามกระบวนการเตรียมการมีความต้องการอุปกรณ์และการดำเนินงานสูงและ HF ที่เหลืออยู่ใน LiPF6 มีอิทธิพลอย่างมากต่อประสิทธิภาพการทำงานของแบตเตอรี่

อีกวิธีการผลิตที่สำคัญสำหรับ LiPF6 คือวิธีการแลกเปลี่ยนเกาลัด หมายถึงวิธีการแลกเปลี่ยนไอออนของ hexafluorophosphate ที่มีสารประกอบลิเธียมในตัวทำละลายอินทรีย์เพื่อรับ LiPF6 คุณสมบัติหลักของวิธีการแลกเปลี่ยนไอออนคือง่ายและสะดวก แต่ปัญหาความบริสุทธิ์ LiPF6 จำกัด การใช้งานที่กว้าง

1.2.2 เกลือลิเทียมใหม่

ในปัจจุบันชุดของอิเล็กโทรไลต์เกลืออิเล็กโทรไลต์เกลือที่มีความปลอดภัยสูงและประสิทธิภาพการทำงานรอบที่ดีได้ดึงดูดความสนใจ เมื่อเทียบกับ LiPF6 เกลือลิเธียมอิเล็กโทรไลต์แบบดั้งเดิมแม้ว่าความสามารถที่ครอบคลุมไม่สามารถแข่งขันกับ LiPF6 พวกเขามีข้อได้เปรียบที่เห็นได้ชัดในด้านต่าง ๆ เช่น LiBOB? มีความเสถียรทางเคมีไฟฟ้าและความคงตัวทางความร้อนที่ดีสามารถทำปฏิกิริยากับตัวทำละลายเฉพาะเพื่อสร้างความเสถียรได้หรือไม่ เยื่อซึ่งสามารถลดทอนหลังจากรอบของพลังงานซ้ำ LiFSI เป็นอิเล็กโทรไลต์แบตเตอรี่ลิเธียมที่มีประสิทธิภาพที่ดีเยี่ยม มีการนำไฟฟ้าที่ยอดเยี่ยมและเข้ากันได้ดีกับวัสดุอิเล็กโทรด LiBF4 มีความเสถียรทางเคมีและความร้อนที่ดีกว่า LiPF6 และประสิทธิภาพความปลอดภัยนั้นยอดเยี่ยมมาก อย่างไรก็ตามข้อมูลจากการทดลองจำนวนมากแสดงให้เห็นว่ามีการตัดสินใจที่หลีกเลี่ยงไม่ได้บางอย่างโดยใช้เกลือลิเธียมเดียว ตัวอย่างเช่น LiFSI นั้นง่ายต่อการทำให้เกิดการกัดกร่อนของอลูมิเนียม LiBF4 มีรัศมีประจุลบที่ค่อนข้างเล็กการมีปฏิสัมพันธ์ที่ดีกับไอออนลิเธียมและการนำไฟฟ้าที่อ่อน ประสิทธิภาพด้อยกว่าในฐานะแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนสำหรับใช้เป็นเกลือลิเธียมอิเล็กโทรไลต์เพียงอย่างเดียว ดังนั้นลิเธียมเกลือของโครงสร้างที่แตกต่างและโครงสร้างที่แตกต่างกันประกอบเพื่อให้อิเล็กโทรไลต์คอมโพสิตแสดงคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมที่ไม่ได้มีอิเล็กโทรไลต์อย่างง่ายซึ่งจะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพอิเล็กโทรไลต์ในด้านต่างๆ

1.2.3 ข้อดีและข้อเสียของเกลือลิเธียมต่างๆ

LiBF4: ประสิทธิภาพที่อุณหภูมิต่ำดีกว่า แต่มีราคาแพงและละลายได้น้อยกว่า

LiPF6: ประสิทธิภาพที่ครอบคลุมนั้นดีกว่าและข้อเสียคือการดูดซึมน้ำและการไฮโดรไลซิสได้ง่าย

LiBOB: ประสิทธิภาพการทำงานที่อุณหภูมิสูงจะดีกว่าโดยเฉพาะอย่างยิ่งการยับยั้งความเสียหายของตัวทำละลายที่ขั้วไฟฟ้าเชิงลบ แต่ความสามารถในการละลายต่ำเกินไป

LiFSI: ไม่เพียง แต่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม แต่ยังมีเสถียรภาพทางความร้อนที่ดีความไวต่อความชื้นและการนำไฟฟ้า

LiPF2: ปรับปรุงประสิทธิภาพการทำงานรอบอุณหภูมิสูงและประสิทธิภาพการจัดเก็บประสิทธิภาพการส่งออกอุณหภูมิต่ำและการป้องกันการคิดราคาแพงและประสิทธิภาพความจุที่สมดุลของแบตเตอรี่ลิเธียม;

LiTFSI: ความเสถียรทางเคมีไฟฟ้าการนำอิออนสูงความคงตัวทางความร้อนที่ดีและยากต่อการไฮโดรไลซ์

LiTDI: มีหมายเลขการโยกย้ายลิเธียมไอออนสูงมากลดปริมาณของเกลือลิเธียมและลดต้นทุนแบตเตอรี่

1.3.1 วัตถุเจือปน

มีหลายชนิดของสารเติมแต่งและผู้ผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่แตกต่างกันมีความต้องการที่แตกต่างกันในการใช้งานและประสิทธิภาพของแบตเตอรี่และจุดเน้นของสารเติมแต่งที่เลือกก็แตกต่างกัน โดยทั่วไปสารเติมแต่งที่ใช้ส่วนใหญ่มีผลกระทบต่อไปนี้:

(1) การขึ้นรูปฟิล์ม

สารเติมแต่งที่สร้างฟิล์มอนินทรีย์: โมเลกุลขนาดเล็กเช่น SO2, CO2, และ CO สามารถส่งเสริมการก่อตัวของฟิล์มฟิล์มและการเติมฮาไลด์เช่น LiI หรือ LiBr ยังสามารถปรับปรุงฟิล์มฟิล์มฟิล์ม

สารเติมแต่งที่ขึ้นรูปเป็นฟิล์มอินทรีย์: สารประกอบอินทรีย์ที่มีฟลูออรีนคลอรีนและโบรมีนเช่น Anisole หรืออนุพันธ์ฮาโลเจนสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการทำงานของแบตเตอรี่และลดการสูญเสียความสามารถในการย้อนกลับของแบตเตอรี่ ในหมู่พวกเขา Vinylene คาร์บอเนต (VC) เป็นสารเติมแต่งขึ้นรูปฟิล์มที่ดีมาก

(2) ลดน้ำติดตามและสารเติมกรด HF ในอิเล็กโทร

สารประกอบ carbodiimide สามารถป้องกันการไฮโดรไลซิสของ LiPF6 เป็นกรด นอกจากนี้ออกไซด์ของโลหะบางชนิดเช่น Al2O1, MgO, BaO, Li2CO1, CaCO1 และสิ่งที่คล้ายกันนั้นถูกใช้เพื่อลบ HF

(3) ป้องกันการเติมมากเกินไปและสารเติมแต่ง overdischarge

สารประกอบเช่นเอมีนและเอมีนอินทรีย์ biphenyls และ carbazoles ถูกนำมาใช้เป็นสารเติมแต่งเพื่อป้องกันการคิดราคาแพงและการใช้เกินขนาด

(4) สารเติมแต่งสารหน่วงไฟ

สารประกอบออร์กาโนฟอสฟอรัสเช่น tetrapropoxysilane (TPOS), tetramethoxysilane (TMOS), สารประกอบออร์กาโนฟลูออไรด์และอัลคิลฟอสเฟต halogenated ใช้เป็นสารหน่วงไฟในจุดวาบไฟสูงที่ไม่ติดไฟ

(5) ปรับปรุงสารเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานที่อุณหภูมิต่ำ

N, N-dimethyltrifluoroacetamide, อินทรีย์ boride, คาร์บอเนตที่ประกอบด้วยฟลูออรีนและความหนืดต่ำอื่น ๆ จุดวาบไฟสูงเป็นประโยชน์ต่อการปรับปรุงประสิทธิภาพอุณหภูมิต่ำของแบตเตอรี่

(6) สารเติมแต่งมัลติฟังก์ชั่

หลังจากเพิ่ม 12-crown-4 ลงในตัวทำละลาย PC แล้วฟิล์ม SEI ที่ส่วนต่อประสานอิเล็กโทรดได้รับการปรับให้เหมาะสมเพื่อลดการสูญเสียความสามารถในการกลับขั้วครั้งแรกของอิเล็กโทรด การเติมตัวทำละลายอินทรีย์ที่มีฟลูออไรด์และฟอสเฟตฮาโลเจนเช่น BTE และ TTFP ไปยังอิเล็กโทรไลต์ไม่เพียง แต่ก่อให้เกิดฟิล์ม SEI ที่ยอดเยี่ยมเท่านั้น แต่ยังมีการหน่วงการติดไฟของอิเล็กโทรไลต์