انواع الکترولیت برای باتری های لیتیومی

1. الکترولیت مایع

The selection of electrolytes has a significant impact on the functionality of lithium-ion batteries. It is necessary to have good chemical stability, especially in high potential and temperature environments where differentiation is not easily occurring. It has a high ion conductivity (>10-3S/cm)، و باید بی اثر باشد و داده های کاتد و آند را خورده نکند. با توجه به پتانسیل شارژ و دشارژ بالای باتری های لیتیوم یون و وجود لیتیوم فعال شیمیایی تعبیه شده در ماده آند، لازم است ترکیبات آلی به عنوان الکترولیت به جای حاوی آب انتخاب شوند. اما رسانایی یونی ترکیبات آلی خوب نیست، بنابراین نمک های رسانای محلول باید در حلال های آلی اضافه شوند تا هدایت یونی بهبود یابد. امروزه باتری های لیتیوم یونی عمدتاً از الکترولیت های مایع با حلال های آلی بی آب مانند EC, PC, DMC, DEC و بیشتر از حلال های مخلوط مانند EC/DMC و PC/DMC استفاده می کنند. نمک های رسانا شامل LiClO4، LiPF6، LiBF6، LiAsF6 و غیره هستند که رسانایی آنها به ترتیب LiAsF6، LiPF6، LiClO4 و LiBF6 است. LiClO4 به دلیل مقاومت در برابر اکسیداسیون بالا و مسائل ایمنی مانند انفجار به طور کلی به بحث های تجربی محدود می شود. LiAsF6 رسانایی یونی بالایی دارد، به راحتی تصفیه می شود و پایداری خوبی دارد، اما حاوی As سمی است که استفاده از آن را محدود می کند. LiBF6 پایداری شیمیایی و حرارتی ضعیف و رسانایی کم دارد. اگرچه LiPF6 تحت واکنش های تمایز قرار می گیرد، اما هدایت یونی بالایی دارد. بنابراین، LiPF6 در حال حاضر عمدتا در باتری های لیتیوم یون استفاده می شود. امروزه اکثر الکترولیت های مورد استفاده در باتری های لیتیوم یون تجاری از LiPF6 EC/DMC استفاده می کنند که دارای رسانایی یونی بالا و پایداری الکتروشیمیایی خوبی است.

2. الکترولیت جامد

استفاده مستقیم از لیتیوم فلزی به عنوان ماده آند دارای ظرفیت برگشت پذیر بالایی است، با ظرفیت نظری تا 3862 میلی آمپر ساعت · g-1 که بیش از ده برابر مواد گرافیت است و قیمت آن نیز نسبتاً پایین است. این ماده جذاب ترین ماده آند برای نسل جدید باتری های لیتیوم یونی در نظر گرفته می شود، اما ممکن است لیتیوم دندریت وجود داشته باشد. انتخاب الکترولیت های جامد به عنوان رسانای یونی می تواند از رشد لیتیوم دندریتی جلوگیری کند و امکان استفاده از لیتیوم فلزی را به عنوان ماده آند فراهم کند. علاوه بر این، استفاده از الکترولیت‌های جامد می‌تواند از نقص نشت الکترولیت مایع جلوگیری کند و همچنین می‌توان باتری را نازک‌تر (ضخامت فقط 0.1 میلی‌متر)، چگالی انرژی بالاتر و باتری کوچک‌تر پر انرژی ساخت. آزمایش‌های آسیب نشان داده‌اند که باتری‌های لیتیوم یون حالت جامد عملکرد ایمنی بالایی دارند. باتری‌های لیتیوم یونی با الکترولیت مایع پس از آزمایش‌های آسیب مانند سوراخ‌کردن، گرمایش (200 درجه)، اتصال کوتاه و شارژ بیش از حد (600 درصد)، ممکن است با مشکلات ایمنی مانند نشتی و انفجار مواجه شوند، باتری‌های حالت جامد به جز افزایش جزئی دمای داخلی ("20 درجه") هیچ مشکل ایمنی دیگری ندارند. الکترولیت‌های پلیمری جامد دارای انعطاف‌پذیری خوب، ویژگی‌های تشکیل فیلم، پایداری و ویژگی‌های هزینه پایین‌تر هستند. آنها می توانند به عنوان جداکننده بین الکترودهای مثبت و منفی و به عنوان الکترولیت برای انتقال یون استفاده شوند.

الکترولیت پلیمری جامد را می توان به طور کلی به الکترولیت پلیمری جامد خشک (SPE) و الکترولیت پلیمر ژل (GPE) تقسیم کرد. الکترولیت های پلیمری جامد SPE اساساً بر پایه پلی اتیلن اکسید (PEO) هستند که رسانایی یونی پایینی دارد و تنها در 100 درجه می تواند به 10-40 سانتی متر برسد. در SPE، هدایت یونی عمدتاً در ناحیه آمورف رخ می‌دهد و از حرکت زنجیره‌های پلیمری برای انتقال و مهاجرت استفاده می‌کند. تبلور ساده PEO به دلیل منظم بودن بالای زنجیره های مولکولی آن است و تبلور باعث کاهش رسانایی یون می شود. بنابراین به منظور بهبود رسانایی یونی از یک سو می توان با کاهش کریستالی بودن پلیمر و بهبود تحرک زنجیره و از سوی دیگر با افزایش حلالیت نمک های رسانا در پلیمر به آن دست یافت. استفاده از پیوند، مسدود کردن، اتصال عرضی، کوپلیمریزاسیون و سایر ابزارها برای آسیب رساندن به عملکرد تبلور پلیمرها می تواند هدایت یونی آنها را به طور قابل توجهی بهبود بخشد. علاوه بر این، مشارکت در نمک های کامپوزیت معدنی نیز می تواند هدایت یونی را بهبود بخشد. حلالیت نمک های رسانا را می توان با افزودن حلال های آلی مایع مانند PC با ثابت دی الکتریک بالا و وزن مولکولی نسبی کم در الکترولیت پلیمری جامد تا حد زیادی بهبود بخشید. الکترولیت تشکیل شده، الکترولیت پلیمری ژل GPE است که در دمای اتاق دارای رسانایی یونی بالایی است، اما به دلیل جدا شدن مایع در حین کار از بین می رود. باتری های لیتیوم یون پلیمری ژل تجاری شده اند.