◆Introduzione à l'elettroliti solidi
L'elettroliti, un cumpunente indispensabile dibatterie lithium-ion, ghjoca un rolu cruciale in i cicli di carica-di scaricamentu di a bateria.
Ùn hè micca solu rispunsevule per u trasportu efficiente di ioni di litiu è a cunduzzione di u currente, ma ancu pussede proprietà d'insulazioni elettroniche per prevene efficacemente u flussu di elettroni diretti trà l'elettrodi pusitivi è negativi. Figurativamente parlante, l'elettrolitu hè cum'è u "sangue" in una bateria di lithium-ion, assicurendu a connettività trà i materiali di l'elettrodu pusitivu è negativu, guarantiscenu cusì u prugressu lisu di tuttu u prucessu di scaricamentu di carica -.
Un elettrolitu ideale per una batteria di lithium-ion deve risponde à i seguenti cinque requisiti:
(1) High ionic conductivity (>10⁻3S/cm).
(2) Wide electrochemical window (>4,5 V versus Li+/Li).
(3) Bona cumpatibilità cù l'elettrodi, mantenendu a resistenza interfaccia più bassa pussibule.
(4) Eccellente stabilità termica è chimica, chì permette à a bateria di funziunà in modu sicuru in una larga gamma di temperatura.
(5) Bassu costu, bassa toxicità è amichevule à l'ambiente.
Cù a sempre -esigenza crescente per a densità di energia di a batteria è a densità di putenza, a tecnulugia di a batteria si sviluppa rapidamente, è i materiali di l'elettrodi anu fattu un prugressu tremendu. In cuntrastu, u sviluppu di i sistemi elettroliti hè stata ritardata. Attualmente, u sviluppu di l'elettroliti di batterie di lithium -ioni pò esse largamente classificatu in trè tippi: elettroliti di solventi non -acuosi, elettroliti aqueous, è elettroliti solidi-.
Elettrolitu di solvente non -acuous
L'elettroliti di solventi non -acuosi in batterie di lithium-ioni si riferiscenu à sistemi elettroliti chì ùn cuntenenu micca acqua, cumposti principarmenti di solventi, soluti (di solitu sali di litiu) è additivi. Questi solventi non -aqueous sò tipicamente solventi organici, piuttostu cà solventi aqueous, per evità l'elettrolisi di l'acqua o reazzioni avversi cù i materiali elettrodi. I sali di litiu sò i trasportatori primari per u trasportu di lithium-ioni, i solventi servenu cum'è a dissoluzione, dispersione è supportu per i sali di lithium, è l'additivi funzionanu principalmente per migliurà a prestazione elettrochimica o a sicurità di e batterie di lithium-.
L'elettroliti dispunibuli in u cummerciu (vale à dì, l'elettroliti liquidi) utilizati in batterie di lithium-ioni sò principalmente cumposti da unu o più sali di litiu dissoluti in dui o più solventi organici; l'elettroliti cumposti da un solu solvente sò assai rari. U mutivu di l'usu di più solventi hè chì e batterie di u mondu reale -anu esigenze diverse, ancu contraddittorie, chì sò difficiuli di risponde cù un solu solvente. Per esempiu, l'elettroliti pò esse bisognu di una alta fluidità mentre chì anu ancu una alta constante dielettrica; dunque, i solventi cù diverse proprietà fisicochimiche sò spessu usati in cumminazione, chì mostranu diverse caratteristiche simultaneamente. Inoltre, i sali di litiu sò generalmente micca usati simultaneamente perchè a selezzione di salti di litiu hè limitata, è i so vantaghji ùn sò micca facilmente apparenti.
I solventi organici ideali duveranu pussede e seguenti proprietà chjave: Prima, anu bisognu di una constante dielettrica alta per assicurà una bona dissoluzione di i sali di lithium; siconda, deve avè un puntu di fusione bassu è un altu puntu di ebollizione per allargà a temperatura di u funziunamentu di l'elettrolitu; terzu, bassa viscosità aiuta à prumove a migrazione efficace di ioni di lithium in u mediu; è infine, sti solventi duveranu esse pocu prezzu è avè una toxicità bassa (idealmente micca -tossicu). I composti di carbonati, cum'è unu di i solventi organici più antichi è più utilizati in l'industria di batterie di lithium -ioni, occupanu una pusizione cruciale in u campu di l'elettroliti di batterie.
Attualmente, stu tipu di solvente include principalmente duie forme strutturali: ciclicu è catena. A tavula sottu riassume i paràmetri fisichi pertinenti di parechji solventi non-acuosi, elettroliti è solventi organici cumunimenti usati.
| categuria | Tipu | Struttura | Puntu di fusione (gradu) | Puntu di ebollizione (gradu) | Pressione di vapore individuale (25 gradi) | Densità Relativa (25 gradi)/(mPa·s) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Carbonate d'etilene (EC) | Ciclicu | 36.4 | 248 | 89,780 | 1.904 (40 gradi) | |
| Carbonate di propilene (PC) | Ciclicu | -48.4 | 242 | 64,920 | 2.53 | |
| Carbonati | Carbonate di butilene (BC) | Ciclicu | -54.0 | 240 | 53,000 | 3.20 |
| Carbonate di dimetile (DMC) | Lineare | 4.6 | 91 | 3,107 | 0.59 | |
| Carbonate dietilu (DEC) | Lineare | -74.3 | 126 | 2,805 | 0.75 | |
| Carbonate di metile di etile (EMC) | Lineare | -53.0 | 110 | 2,958 | 0.65 |
Attualmente, i solventi alchilcarbonati sò largamente usati in l'elettroliti. Questi solventi anu una bona resistenza à l'ossidazione è mostranu una stabilità eccellente in cundizioni d'alta tensione. I carbonati ciclichi, cum'è u carbonate d'etilene è u carbonate di propilenu, sò cunnisciuti per i so custanti dielettrici elevati, chì significanu chì ponu dissolve i sali di litiu in modu più efficace; in ogni modu, per via di forti forze intermoleculari, sti solventi anu una viscosità alta, chì rallenta u muvimentu di ioni di lithium in elli. In cuntrastu, i carbonati di a catena, cum'è u dimetil carbonate è u diethyl carbonate, mentre chì anu una viscosità più bassa, anu ancu custanti dielettrici relativamente bassi, chì risultanu in una efficienza di dissoluzione relativamente povera per i sali di litiu. Dunque, per preparà sistemi di suluzione cù una conduttività ionica superiore, sò spessu mischiati diversi tipi di solventi, cum'è PC + DEC o cumminazzioni EC + DMC. I sali di litiu, cum'è a fonte di ioni di litiu in l'elettroliti, ghjucanu un rolu maiò in u trasportu di ioni di lithium -ioni durante u prucessu di carica è scaricamentu di batterie di lithium-ion. U so rendimentu affetta direttamente parechji aspetti di e batterie di lithium-ion, cumprese a densità di energia, a densità di putenza, a gamma di tensione operativa, a vita di u ciclu è a sicurità. Attualmente, in a ricerca di u laboratoriu è a pratica industriale, i sali di litiu cù grandi raghji anionici è una alta stabilità redox sò tipicamente scelti. Basatu nantu à a so cumpusizioni chimica, i sali di litiu ponu esse largamente classificati in duie categurie: sali di litiu inorganicu è sali di litiu organici. Diversi sali di litiu inorganicu sò stati sviluppati, cumprese LiPF6, LiClO4, LIBF è LIASF. In cuntrastu, i sali di litiu organicu cumunimenti usati in batterie di lithium -ioni sò furmulati aghjunghjendu gruppi di ritirati di elettroni à l'anioni di sti sali di litiu inorganici, cum'è lithium dioxalato-borate (LiBOB), lithium difluorooxalato{20}ODFBoroate{20}ODFBoroate. (LiFSI), è lithium ditrifluoromethylsulfonylimide (LTFSI). A tavula sottu mostra e proprietà fisicochimiche pertinenti di parechji sali di lithium cumunimenti usati in batterie di lithium -ion.
| categuria | Sali di Lithium | Pesu Molecular (g/mol) | Solubile in carbonati? | Solubile in acqua? | Conduttività elettrica (1 mol/L, EC/DMC, 20 gradi) (mS/cm) |
|---|---|---|---|---|---|
| Sali di litiu inorganicu | LiPF₆ | 151.91 | Iè | Iè | 10.00 |
| LiBF₄ | 93.74 | Iè | Iè | 4.50 | |
| LiClO₄ | 106.40 | Iè | Iè | 9.00 | |
| Sali di litiu organicu | LiTFSI | 287.08 | Iè | Iè | 6.18 |
| LiFSI | 187.07 | Iè | Iè | 10.40 | |
| LiBOB | 193.79 | Iè | Iè | 0.65 |
L'additivi sò sustanzi chì aghjunghjenu l'elettroliti in bassu cuncentrazione (di solitu micca più di 10% in massa) chì anu funzioni specifiche è ponu migliurà significativamente e caratteristiche elettrochimiche di a bateria. Basatu nantu à e so funzioni, sti additivi ponu esse classificati largamente in parechje categurie: additivi formatori di film -, ritardanti di fiamma, è additivi per prevene l'overcharge. Inoltre, ci sò additivi utilizati per rinfurzà a conduttività, ottimisà u rendiment in cundizioni di bassa -temperatura, o cuntrullà quantità di traccia è concentrazioni HF in a suluzione elettrolitica.