Zein da litiozko bateria bateko elektrolitoa?
elektrolitoa
Litio-ioizko bateria bateko elektrolitoa bateriako ioien garraiatzailea da. Orokorrean, litio-gatzez, disolbatzaile organikoz eta gehigarriz osatuta dago, 7-4 irudian ikusten den bezala. Elektrolitoak funtsezko eginkizuna du litio--ioizko bateria baten elektrodo positibo eta negatiboen artean ioiak eroalean, bere abantailak bermatuz, hala nola tentsio altua eta energia espezifiko handia. Elektrolitoak normalean baldintza zehatzetan eta proportzio zehatzetan prestatzen dira -garbitasun handiko disolbatzaile organikoetatik, litio-gatzetatik eta beharrezko gehigarrietatik. Elektrodoen materialek bateriaren energia-dentsitatea zehazten duten bitartean, elektrolitoak funtsean bere ziklo-bizitza, tenperatura altuko eta baxuko errendimendua eta segurtasuna zehazten ditu. Elektrolitoaren oinarrizko konposizioa nahiko aldatu gabe geratzen da; berrikuntza, batez ere, litio-gatz eta gehigarri berrien garapenean datza, baita litio-ioizko baterietan parte hartzen duten interfazial prozesu kimikoen eta mekanismoen ulermen sakonean ere.
Litio-gatz mota asko daude, 7-5 irudian ikusten den bezala, baina oso gutxi erabiltzen dira komertzialki eskuragarri dauden litio-ioizko piletan. Litio gatz ideal batek ezaugarri hauek izan behar ditu:
1) Elkartze maila baxua, disolbatzaile organikoetan erraz disolbagarria, elektrolitoaren eroankortasun ioniko handia bermatuz.
2) Antioxidatzaile eta murrizteko erresistentzia duten anioiak; murrizketa-produktuek erresistentzia baxuko-SEI film egonkor baten eraketa errazten dute.
3) Egonkortasun kimiko ona, elektrodoen materialekin, elektrolitoekin edo bereizgailuekin alboko erreakzio kaltegarririk eragin gabe.
4) Prestaketa prozesu sinplea, kostu baxua, -toxikoa eta kutsadura-gabea.
LiPF6 gehien erabiltzen den litio-gatza da. Bere propietate indibidualak nabarmenenak ez diren arren, karbonato disolbatzaile nahastutako elektrolitoetan errendimendu orokorra nahiko optimoa erakusten du. LiPF6 abantaila nagusi hauek ditu:
1) Disolbagarritasun egokia eta eroankortasun ioniko handia-uretako disolbatzaileetan.
2) Aluminio-paperen korronte-kolektoreen gainazalean pasibazio-film egonkorra osa dezake.
3) SEI film egonkorra eratzen du sinergikoki grafitozko elektrodoaren gainazalean karbonatozko disolbatzaileekin.
Hala ere, LiPF6-k egonkortasun termiko eskasa du eta deskonposizio-erreakzioetarako joera du. Azpiproduktuek elektrodoaren gainazaleko SEI filma kaltetu dezakete, elektrodo positiboaren osagai aktiboak desegin eta ahalmenaren gainbehera ekar dezakete bizikletan zehar.
LiBF ere normalean erabiltzen den litio-gatzaren gehigarria da. LiPF6rekin alderatuta, LiBF-k funtzionamendu-tenperatura-tarte zabalagoa du, -tenperatura-egonkortasun hobea eta tenperatura baxuko-errendimendu hobea. LiBF-k eroankortasun handia, leiho elektrokimiko zabala eta egonkortasun termiko ona ditu. Bere abantailarik handiena pelikulak-formatzeko propietateetan datza, SEI filmaren eraketan zuzenean parte har dezakeelako.
Egiturari dagokionez, LiDFOB LiBOB eta LiBF molekulen erdi-molekulaz osatuta dago, eta LiBOBren film-eratze propietate onen abantailak eta LiBF4 tenperatura baxuko-errendimendu ona konbinatuz. LiBOB-ekin alderatuta, LiDFOB-ek disolbagarritasun handiagoa du karbonato-disolbatzaile linealetan eta elektrolito-eroankortasun handiagoa du. Bere -tenperatura altuko eta-tenperatura baxuko errendimendua LiPF4 baino hobea da, eta bateriaren katodoarekin bateragarritasun ona du, aluminio-paperaren gainazalean pasibazio-filma osatuz eta elektrolitoen oxidazioa eragozten du.
LiTFSI egiturako CF₃SO₂ taldeek elektroi-errautsi-efektu handia dute, eta horrek karga negatiboaren deslokalizazioa areagotzen du eta ioi-elkarketa parekatzea murrizten du, gatzaren disolbagarritasun handia eragiten duena. Gainera, LiTFSIk eroankortasun elektriko handia du, deskonposizio termikoko tenperatura altua du eta ez da erraz hidrolizatzen; hala ere, aluminiozko korronte-kolektoreak oso herdoilduko ditu 3,7V-tik gorako tentsioetan.
LiFSI molekulako fluor-atomoek elektroiak -errotatzeko propietate sendoak dituzte, eta N-ren karga negatiboa deslokalizatu egiten dute, ioi-elkarketa ahula eta Li+-aren disoziazio erraza eragiten dutenak, eta, ondorioz, eroankortasun handia dakar.
LiPO2F2-k-tenperatura baxuko errendimendu ona erakusten du eta elektrolitoaren tenperatura-altuko errendimendua ere hobetzen du. Gehigarri gisa, LixPOyFz eta LiF-n aberatsa den SEI film bat osa dezake elektrodo negatiboaren gainazalean, eta horrek bateriaren interfazearen inpedantzia murrizten laguntzen du eta bateriaren zikloaren errendimendua hobetzen laguntzen du. Hala ere, LiPO2F2-k disolbagarritasun baxua ere jasaten du.
ren osagai nagusiaelektrolito likidoadisolbatzaile organikoa da, litio-gatzak disolbatzen dituena eta litio-ioientzako eramailea eskaintzen duena. Litio-ioizko bateriaren elektrolito baterako disolbatzaile organiko aproposa batek baldintza hauek bete behar ditu:
1) Litio-gatzen konstante dielektriko handia eta disolbatzeko gaitasun handia.
2) Urtze-puntu baxua eta irakite-puntu altua, tenperatura-tarte zabalean egoera likidoa mantenduz.
3) Biskositate baxua, litio-ioiaren garraioa erraztuz.
4) Egonkortasun kimiko ona, ez du elektrodoaren egitura positiboa eta negatiboa kaltetzen edo elektrodo positibo eta negatiboaren materialak desegiten.
5) Suzko puntu altua, segurtasun ona, kostu baxua, ez-toxikoa eta ez-kutsagarria.
Litio-ioietako baterien elektrolitoetan erabiltzen diren disolbatzaile organiko arruntak batez ere karbonato disolbatzaileetan eta eter organiko disolbatzaileetan banatzen dira, 7-6 irudian ikusten den moduan. -Errendimendu handiko litio-ioizko bateriaren elektrolitoa lortzeko, bi disolbatzaile organiko edo gehiago dituen disolbatzaile mistoa erabiltzen da normalean, elkarren osagarri izateko eta errendimendu orokor hobea lortzeko. Karbonato-disolbatzaile arrunten propietate fisikoak 7-1 taulan ageri dira.
7-1 taula Karbonato-disolbatzaile arrunten propietate fisikoak
| Disolbatzaile organikoa | Konstante dielektriko erlatiboa | Fusio-puntua/ gradua | Irakite-puntua/ gradua | Biskositate-koefizientea |
|---|---|---|---|---|
| Etileno karbonatoa (EC) | 89.6 | 37 | 243 | 1.86 |
| Propileno karbonatoa (PC) | 64.4 | -55 | 240 | 2.53 |
| Dimetil karbonatoa (DMC) | 0.59 | 2 | 91 | 0.59 |
| Dietil karbonatoa (DEC) | 2.8 | -43 | 126 | 0.75 |
| Etil metil karbonatoa (EMC) | 3.0 | -53 | 108 | 0.65 |
Eter disolbatzaile organikoek, batez ere, 1,2-dimetoxipropanoa (DMP), dimetoximetanoa (DMM) eta etilenglikol dimetileterra (DME) eta eter ziklikoak dira, hala nola, tetrahidrofuranoa (THF) eta 2-metiltetrahidrofuranoa (2-{6}}) (2-{6}}) (2-{6}}) dimetoxipropanoa (DMP). Kate-eter disolbatzaileentzat, karbono-katea zenbat eta luzeagoa izan, orduan eta egonkortasun kimiko hobea izango da, baina orduan eta likatasun handiagoa eta litio-ioiaren migrazio-tasa txikiagoa. Etilenglikol dimetil eterak litio hexafluorofosfatoarekin kelato nahiko egonkorra (LiPF6·DME) sor dezake, litio-gatzetan disolbatzeko ahalmen handia erakutsiz eta elektrolitoen eroankortasun handia lortuz. Hala ere, DME-k egonkortasun kimiko eskasa du eta ezin du elektrodo negatiboko materialaren gainazalean pasibazio-film egonkorrik sortu.
Karbonatoen disolbatzaileen artean karbonato ziklikoak daude, hala nola propileno karbonatoa (PC) eta etileno karbonatoa (EC), eta kate karbonatoak, hala nola dimetil karbonatoa (DMC), dietil karbonatoa (DEC) eta metil etil karbonatoa (EMC). Karbonato ziklikoek konstante dielektriko handia dute, eta litio-gatzak disolbagarriagoak dira, baina biskositate handia ere badute, eta ondorioz litio-ioiaren migrazio-abiadura txikiagoa da. Kate-karbonatoek konstante dielektriko baxua eta litio-gatzaren disolbagarritasun ahula dute, baina biskositate baxua eta isurgarritasun ona, litio-ioiaren migrazioa errazten du.
Litio-elektrolitoen suaren-gehigarri motak 7-7 irudian ageri dira. Gehigarriek, kantitate txikitan erabilita, efektu nabarmenak dituzte eta litio-ioizko baterien errendimendua hobetzeko metodo ekonomiko eta praktikoa dira. Litio-baterien elektrolitoari gehigarri-dosi txiki bat gehituz gero, bateriaren errendimendu-ezaugarri jakin batzuk bereziki hobetu daitezke, hala nola, ahalmen itzulgarria, elektrodo/elektrolitoen bateragarritasuna, zikloaren errendimendua, tasa-errendimendua eta segurtasun-errendimendua, litio-ioizko -baterietan zeregin erabakigarria betetzen dutenak. Litio-ioizko bateriaren elektrolito gehigarri ideal batek lau ezaugarri hauek izan behar ditu:
1) Disolbagarritasun handia disolbatzaile organikoetan.
2) Kantitate txiki batek errendimendu-ezaugarri bat edo gehiago nabarmen hobetu ditzake.
3) Ez dago erreakzio kaltegarririk bateriaren errendimenduan eragina duten beste bateriaren osagaiekin.
4) Kostu baxua, ez-toxikoa edo toxikotasun txikia.
Haien funtzioaren arabera, gehigarriak gehigarri eroaleak, gainkarga babesteko gehigarriak, suaren aurkako gehigarriak, SEI film-eratzaileen gehigarriak, katodoen materialaren babesleak, LiPF6 egonkortzaileak eta beste gehigarri funtzional batzuk sailka daitezke.
Gehigarri eroaleek litio-ioizko baterien abiadura hobetzen dute elektrolito-ioiekin koordinatuz, litio-gatzaren disoluzioa sustatuz eta elektrolito-eroankortasuna areagotuz. Gehigarri eroaleek koordinazio-erreakzioen bidez funtzionatzen dutenez, ligando gehigarri ere deitzen zaie, eta elkarreraginean dagoen ioiaren arabera ligando anioikoetan, katioiko ligandoetan eta ligando neutroetan sailkatzen dira.
Gainkarga babesteko gehigarriek gainkargaren babesa eskaintzen dute edo gainkargaren tolerantzia hobetzen dute. Funtzionalki erredox gehigarrietan eta monomero gehigarrietan sailkatzen dira. Gaur egun, redox gehigarriak anisol serieak dira batez ere, erredox potentzial handiak eta disolbagarritasun ona dutenak. Monomero gehigarriek polimerizazio-erreakzioak jasaten dituzte tentsio altuan, gasak askatuz, eta polimeroak katodoaren materialaren gainazala estaltzen du, karga etenez. Monomero gehigarrien artean, batez ere, xilenoa eta fenilziklohexanoa bezalako konposatu aromatikoak daude.
Suaren aurkako gehigarriek elektrolitoaren pizte-puntua altxatuz edo errekuntza galarazten duen erradikal askeen kate-erreakzioa amaitzen dute. Haien motak 7-8 irudian ageri dira. Suaren atzeragarriak gehitzea elektrolitoaren sukoitasuna murrizteko, litio-ioizko baterien funtzionamendu-tenperatura-tartea zabaltzeko eta haien errendimendua hobetzeko modu garrantzitsuenetako bat da. Suaren aurkako gehigarrien ekintza-mekanismoak bi dira nagusiki:
1) Gas-fasearen eta fase kondentsatuaren artean geruza isolatzaile bat sortuz, fase kondentsatuan zein gas-fasean errekuntza ekiditen dute.
2) Errekuntza-erreakzio-prozesuan erradikal askeak harrapatzen dituzte, gas-faseen arteko errekuntza-erreakzioak galarazten dituen erradikal askeen kate-erreakzioa amaituz.
