რას ნიშნავს ლითიუმის-იონური ბატარეის ელექტროლიტი?

◆რა არის წყლის ელექტროლიტები?

◆შესავალი მყარი ელექტროლიტების შესახებ

ელექტროლიტი, მისი შეუცვლელი კომპონენტილითიუმის-იონური ბატარეები, გადამწყვეტ როლს თამაშობს ბატარეის დატენვის-დამუხტვის ციკლებში.

ის არა მხოლოდ პასუხისმგებელია ლითიუმის იონების ეფექტურ ტრანსპორტირებაზე და დენის გამტარობაზე, არამედ ფლობს ელექტრო საიზოლაციო თვისებებს, რათა ეფექტურად თავიდან აიცილოს ელექტრონების პირდაპირი ნაკადი დადებით და უარყოფით ელექტროდებს შორის. ფიგურალურად რომ ვთქვათ, ელექტროლიტი ჰგავს „სისხლს“ ლითიუმის-იონური ბატარეის შიგნით, რომელიც უზრუნველყოფს დაკავშირებას პოზიტიურ და უარყოფით ელექტროდურ მასალებს შორის, რითაც გარანტირებულია მთლიანი დამუხტვის-გამორთვის პროცესის გლუვი პროგრესი.

იდეალური ელექტროლიტი ლითიუმის-იონური ბატარეისთვის უნდა აკმაყოფილებდეს შემდეგ ხუთ მოთხოვნას:

ბატარეის ენერგიის სიმკვრივისა და სიმძლავრის სიმჭიდროვეზე მუდმივად-მზარდი მოთხოვნების გამო, ბატარეის ტექნოლოგია სწრაფად ვითარდება და ელექტროდების მასალებმა უზარმაზარი პროგრესი განიცადა. ამის საპირისპიროდ, ელექტროლიტური სისტემების განვითარება ჩამორჩა. ამჟამად, ლითიუმის-იონური ბატარეის ელექტროლიტების განვითარება შეიძლება ფართოდ დაიყოს სამ ტიპად: არა-წყლიანი გამხსნელის ელექტროლიტები, წყლის ელექტროლიტები და მყარი-ელექტროლიტები.

არა-წყლიანი გამხსნელი ელექტროლიტი

 

არა-წყლიანი გამხსნელი ელექტროლიტები ლითიუმის-იონურ ბატარეებში ეხება ელექტროლიტურ სისტემებს, რომლებიც არ შეიცავს წყალს, ძირითადად შედგება გამხსნელების, ხსნადი ნივთიერებებისგან (ჩვეულებრივ ლითიუმის მარილებისგან) და დანამატებისგან. ეს არა-წყლიანი გამხსნელები, როგორც წესი, ორგანული გამხსნელებია, ვიდრე წყალხსნარები, რათა თავიდან იქნას აცილებული წყლის ელექტროლიზი ან ელექტროდის მასალებთან არასასურველი რეაქციები. ლითიუმის მარილები არის ლითიუმის-იონური ტრანსპორტირების ძირითადი მატარებლები, გამხსნელები ემსახურებიან ლითიუმის მარილების დაშლას, დისპერსიას და მხარდაჭერას, ხოლო დანამატები ძირითადად აუმჯობესებენ ლითიუმის-იონური ბატარეების ელექტროქიმიურ მუშაობას ან უსაფრთხოებას.

კომერციულად ხელმისაწვდომი ელექტროლიტები (ანუ თხევადი ელექტროლიტები), რომლებიც გამოიყენება ლითიუმ-იონურ ბატარეებში, ძირითადად შედგება ერთი ან მეტი ლითიუმის მარილისგან, გახსნილი ორ ან მეტ ორგანულ გამხსნელებში; ელექტროლიტები, რომლებიც შედგება ერთი გამხსნელისაგან, ძალიან იშვიათია. მრავალი გამხსნელის გამოყენების მიზეზი არის ის, რომ რეალურ-ბატარეებს აქვთ განსხვავებული, თუნდაც ურთიერთგამომრიცხავი მოთხოვნები, რომელთა დაკმაყოფილებაც ძნელია ერთი გამხსნელის გამოყენებით. მაგალითად, ელექტროლიტებს შეიძლება მოითხოვონ მაღალი თხევადობა, ხოლო მაღალი დიელექტრიკული მუდმივიც; ამიტომ, სხვადასხვა ფიზიკურ-ქიმიური თვისებების მქონე გამხსნელები ხშირად გამოიყენება კომბინაციაში, რომლებიც ერთდროულად ავლენენ სხვადასხვა მახასიათებლებს. გარდა ამისა, ლითიუმის მარილები, როგორც წესი, არ გამოიყენება ერთდროულად, რადგან ლითიუმის მარილების შერჩევა შეზღუდულია და მათი უპირატესობები ადვილად შესამჩნევი არ არის.

იდეალურ ორგანულ გამხსნელებს უნდა გააჩნდეთ შემდეგი ძირითადი თვისებები: პირველ რიგში, მათ სჭირდებათ მაღალი დიელექტრიკული მუდმივი ლითიუმის მარილების კარგი დაშლის უზრუნველსაყოფად; მეორე, მათ უნდა ჰქონდეთ დაბალი დნობის წერტილი და მაღალი დუღილის წერტილი ელექტროლიტის ოპერაციული ტემპერატურის დიაპაზონის გასაფართოებლად; მესამე, დაბალი სიბლანტე ხელს უწყობს ლითიუმის იონების ეფექტურ მიგრაციას გარემოში; და ბოლოს, ეს გამხსნელები უნდა იყოს იაფი და ჰქონდეს დაბალი ტოქსიკურობა (იდეალურად არა-ტოქსიკური). კარბონატული ნაერთები, როგორც ერთ-ერთი ყველაზე ადრეული და ყველაზე ფართოდ გამოყენებული ორგანული გამხსნელი ლითიუმის-იონური ბატარეების ინდუსტრიაში, იკავებს გადამწყვეტ ადგილს ბატარეის ელექტროლიტების სფეროში.

ამჟამად, ამ ტიპის გამხსნელი ძირითადად მოიცავს ორ სტრუქტურულ ფორმას: ციკლურ და ჯაჭვურს. ქვემოთ მოყვანილი ცხრილი აჯამებს რამდენიმე ხშირად გამოყენებული არა-არაწყლიანი გამხსნელების, ელექტროლიტების და ორგანული გამხსნელების შესაბამის ფიზიკურ პარამეტრებს.

ამჟამად, ალკილის კარბონატის გამხსნელები ფართოდ გამოიყენება ელექტროლიტებში. ამ გამხსნელებს აქვთ კარგი ჟანგვის წინააღმდეგობა და ავლენენ შესანიშნავ სტაბილურობას მაღალი ძაბვის პირობებში. ციკლური კარბონატები, როგორიცაა ეთილენის კარბონატი და პროპილენ კარბონატი, ცნობილია მათი მაღალი დიელექტრიკული მუდმივებით, რაც ნიშნავს, რომ მათ შეუძლიათ ლითიუმის მარილების უფრო ეფექტურად დაშლა; თუმცა, ძლიერი ინტერმოლეკულური ძალების გამო, ამ გამხსნელებს აქვთ მაღალი სიბლანტე, რაც ანელებს მათში ლითიუმის იონების მოძრაობას. ამის საპირისპიროდ, ჯაჭვის კარბონატებს, როგორიცაა დიმეთილ კარბონატი და დიეთილის კარბონატი, აქვთ დაბალი სიბლანტე, ასევე აქვთ შედარებით დაბალი დიელექტრიკული მუდმივები, რაც იწვევს ლითიუმის მარილების დაშლის შედარებით დაბალ ეფექტურობას. ამიტომ, უმაღლესი იონური გამტარობის მქონე ხსნარის სისტემების მოსამზადებლად ხშირად ურევენ სხვადასხვა ტიპის გამხსნელებს, როგორიცაა PC+DEC ან EC+DMC კომბინაციები. ლითიუმის მარილები, როგორც ელექტროლიტში ლითიუმის იონების წყარო, დიდ როლს ასრულებენ ლითიუმის-იონების ტრანსპორტირებაში ლითიუმის-იონური ბატარეების დატენვისა და განმუხტვის პროცესში. მათი შესრულება პირდაპირ გავლენას ახდენს ლითიუმის{10}}იონური ბატარეების ბევრ ასპექტზე, მათ შორის ენერგიის სიმკვრივეზე, სიმძლავრის სიმჭიდროვეზე, სამუშაო ძაბვის დიაპაზონზე, ციკლის ხანგრძლივობაზე და უსაფრთხოებაზე. ამჟამად, ლაბორატორიულ კვლევებში და სამრეწველო პრაქტიკაში, ჩვეულებრივ შერჩეულია ლითიუმის მარილები დიდი ანიონური რადიუსით და მაღალი რედოქსის სტაბილურობით. მათი ქიმიური შემადგენლობის მიხედვით, ლითიუმის მარილები შეიძლება დაიყოს ორ კატეგორიად: არაორგანული ლითიუმის მარილები და ორგანული ლითიუმის მარილები. შემუშავებულია რამდენიმე არაორგანული ლითიუმის მარილი, მათ შორის LiPF6, LiClO4, LIBF და LIASF. ამის საპირისპიროდ, ლითიუმის-იონურ ბატარეებში ხშირად გამოყენებული ორგანული ლითიუმის მარილები ფორმულირებულია ამ არაორგანული ლითიუმის მარილების ანიონებისთვის ელექტრონების-გამომყვანი ჯგუფების დამატებით, როგორიცაა ლითიუმის დიოქსალატო-ბორატი (LiBOB), ლითიუმის დიფტოროქსალატო (LiBOB), ლითიუმის დიფტოროქსალატო (ლითიუმის დიფტოროქსალატო) (20) დიფტორსულფონილიმიდი (LiFSI) და ლითიუმის დიტრიფტორმეთილსულფონილიმიდი (LTFSI). ქვემოთ მოცემული ცხრილი აჩვენებს ლითიუმის-იონურ ბატარეებში რამდენიმე ხშირად გამოყენებული ლითიუმის მარილის შესაბამის ფიზიკურ-ქიმიურ თვისებებს.

დანამატები არის ნივთიერებები, რომლებიც ემატება ელექტროლიტს დაბალი კონცენტრაციით (ჩვეულებრივ, არაუმეტეს 10% მასის მიხედვით), რომლებსაც აქვთ სპეციფიკური ფუნქციები და შეუძლიათ მნიშვნელოვნად გააუმჯობესონ ბატარეის ელექტროქიმიური მახასიათებლები. მათი ფუნქციებიდან გამომდინარე, ეს დანამატები შეიძლება ფართოდ დაიყოს რამდენიმე კატეგორიად: ფირის-შემქმნელი დანამატები, ცეცხლგამძლე და დანამატები ზედმეტი დატენვის თავიდან ასაცილებლად. გარდა ამისა, არსებობს დანამატები, რომლებიც გამოიყენება გამტარობის გასაძლიერებლად, დაბალი-ტემპერატურული პირობების ოპტიმიზაციისთვის, ან ელექტროლიტის ხსნარში კვალი და HF კონცენტრაციის გასაკონტროლებლად.