معنى إلكتروليت بطارية الليثيوم-أيون؟

◆ما هي الشوارد المائية؟

◆مقدمة إلى الشوارد الصلبة

المنحل بالكهرباء، وهو عنصر لا غنى عنه منبطاريات ليثيوم-أيون، يلعب دورًا حاسمًا في دورات{{0}تفريغ شحن البطارية.

إنه ليس مسؤولاً فقط عن النقل الفعال لأيونات الليثيوم وتوصيل التيار، ولكنه يمتلك أيضًا خصائص عزل إلكترونية تمنع بشكل فعال تدفق الإلكترون المباشر بين الأقطاب الكهربائية الموجبة والسالبة. بالمعنى المجازي، يشبه الإلكتروليت "الدم" الموجود داخل بطارية أيون الليثيوم-، مما يضمن الاتصال بين مواد القطب الموجب والسالب، وبالتالي ضمان التقدم السلس لعملية تفريغ الشحنة- بأكملها.

يجب أن يلبي الإلكتروليت المثالي لبطارية أيون الليثيوم- المتطلبات الخمسة التالية:

مع الطلب المتزايد-على كثافة طاقة البطارية وكثافة الطاقة، تتطور تكنولوجيا البطاريات بسرعة، وقد حققت مواد الأقطاب الكهربائية تقدمًا هائلاً. في المقابل، تأخر تطوير أنظمة الإلكتروليت. في الوقت الحالي، يمكن تصنيف إلكتروليتات بطارية أيون الليثيوم- بشكل عام إلى ثلاثة أنواع: إلكتروليتات المذيبات غير المائية، وإلكتروليتات الحالة المائية، وإلكتروليتات الحالة الصلبة-.

إلكتروليت غير-مذيب مائي

 

تشير إلكتروليتات المذيبات غير المائية -في بطاريات أيون الليثيوم- إلى أنظمة إلكتروليتات لا تحتوي على ماء، وتتكون بشكل أساسي من مذيبات ومواد مذابة (عادةً أملاح الليثيوم) ومواد مضافة. هذه المذيبات غير المائية - تكون عادةً مذيبات عضوية، بدلاً من المذيبات المائية، لتجنب التحليل الكهربي للماء أو التفاعلات الضارة مع مواد الأقطاب الكهربائية. أملاح الليثيوم هي الناقلات الأساسية لنقل أيون الليثيوم-، وتعمل المذيبات كحل وتشتت ودعم لأملاح الليثيوم، وتعمل المواد المضافة بشكل أساسي على تحسين الأداء الكهروكيميائي أو سلامة بطاريات أيون الليثيوم-.

تتكون الإلكتروليتات المتوفرة تجاريًا (أي الإلكتروليتات السائلة) المستخدمة في بطاريات أيون الليثيوم- بشكل أساسي من واحد أو أكثر من أملاح الليثيوم المذابة في اثنين أو أكثر من المذيبات العضوية؛ تعتبر الإلكتروليتات المكونة من مذيب واحد نادرة جدًا. السبب وراء استخدام مذيبات متعددة هو أن البطاريات-الحقيقية لها متطلبات مختلفة، بل ومتناقضة، يصعب تلبيتها باستخدام مذيب واحد. على سبيل المثال، قد تتطلب الإلكتروليتات سيولة عالية مع وجود ثابت عزل كهربائي مرتفع أيضًا؛ لذلك، غالبًا ما يتم استخدام المذيبات ذات الخواص الفيزيائية والكيميائية المختلفة معًا، مما يظهر خصائص مختلفة في وقت واحد. علاوة على ذلك، لا يتم استخدام أملاح الليثيوم بشكل عام في وقت واحد لأن اختيار أملاح الليثيوم محدود، ولا تظهر مزاياها بسهولة.

يجب أن تمتلك المذيبات العضوية المثالية الخصائص الرئيسية التالية: أولاً، تحتاج إلى ثابت عازل عالي لضمان إذابة جيدة لأملاح الليثيوم. ثانيًا، يجب أن تكون لديهم نقطة انصهار منخفضة ونقطة غليان عالية لتوسيع نطاق درجة حرارة تشغيل المنحل بالكهرباء؛ ثالثًا، تساعد اللزوجة المنخفضة على تعزيز الهجرة الفعالة لأيونات الليثيوم في الوسط؛ وأخيرًا، يجب أن تكون هذه المذيبات غير مكلفة وذات سمية منخفضة (ويفضل أن تكون غير سامة). تحتل مركبات الكربونات، باعتبارها واحدة من أقدم المذيبات العضوية وأكثرها استخدامًا على نطاق واسع في صناعة بطاريات أيون الليثيوم-، موقعًا حاسمًا في مجال إلكتروليتات البطارية.

حاليًا، يشتمل هذا النوع من المذيبات بشكل أساسي على شكلين هيكليين: دوري وسلسلة. يلخص الجدول أدناه المعلمات الفيزيائية ذات الصلة للعديد من المذيبات غير المائية والإلكتروليتات والمذيبات العضوية غير-المستخدمة بشكل شائع.

حاليًا، تستخدم مذيبات كربونات الألكيل على نطاق واسع في الإلكتروليتات. تمتلك هذه المذيبات مقاومة جيدة للأكسدة وتظهر ثباتًا ممتازًا في ظل ظروف الجهد العالي. الكربونات الحلقية، مثل كربونات الإيثيلين وكربونات البروبيلين، معروفة بثوابتها العازلة العالية، مما يعني أنها تستطيع إذابة أملاح الليثيوم بشكل أكثر فعالية؛ ومع ذلك، بسبب القوى الجزيئية القوية، تتمتع هذه المذيبات بلزوجة عالية، مما يؤدي إلى إبطاء حركة أيونات الليثيوم داخلها. في المقابل، فإن الكربونات المتسلسلة، مثل كربونات ثنائي ميثيل وكربونات ثنائي إيثيل، على الرغم من أنها تتمتع بلزوجة أقل، إلا أنها تتمتع أيضًا بثوابت عازلة منخفضة نسبيًا، مما يؤدي إلى كفاءة ذوبان ضعيفة نسبيًا لأملاح الليثيوم. لذلك، لإعداد أنظمة المحاليل ذات الموصلية الأيونية الفائقة، غالبًا ما يتم خلط أنواع مختلفة من المذيبات، مثل مجموعات PC+DEC أو EC+DMC. تلعب أملاح الليثيوم، باعتبارها مصدر أيونات الليثيوم في المنحل بالكهرباء، دورًا رئيسيًا في نقل أيون الليثيوم- أثناء عملية الشحن والتفريغ لبطاريات الليثيوم- أيون. ويؤثر أدائها بشكل مباشر على العديد من جوانب بطاريات الليثيوم أيون{10}، بما في ذلك كثافة الطاقة وكثافة الطاقة ونطاق جهد التشغيل ودورة الحياة والسلامة. حاليًا، في الأبحاث المختبرية والممارسات الصناعية، يتم عادةً اختيار أملاح الليثيوم ذات نصف القطر الأنيوني الكبير وثبات الأكسدة والاختزال العالي. بناءً على تركيبها الكيميائي، يمكن تصنيف أملاح الليثيوم على نطاق واسع إلى فئتين: أملاح الليثيوم غير العضوية وأملاح الليثيوم العضوية. وقد تم تطوير العديد من أملاح الليثيوم غير العضوية، بما في ذلك LiPF6، LiClO4، LIBF، وLIASF. في المقابل، يتم صياغة أملاح الليثيوم العضوية شائعة الاستخدام في بطاريات أيون الليثيوم- عن طريق إضافة مجموعات سحب الإلكترون - إلى أنيونات أملاح الليثيوم غير العضوية هذه، مثل ديوكسالات الليثيوم-بورات (LiBOB)، وثنائي فلورو أوكسالاتو الليثيوم-بورات ([iODFB])، وثنائي فلورو سلفونيلميد الليثيوم (LiFSI)، وثنائي فلورو ميثيل سلفونيليميد الليثيوم. (LTFSI). يوضح الجدول أدناه الخواص الفيزيائية والكيميائية ذات الصلة للعديد من أملاح الليثيوم شائعة الاستخدام في بطاريات أيون الليثيوم -.

المواد المضافة هي مواد تضاف إلى المنحل بالكهرباء بتركيزات منخفضة (عادة لا تزيد عن 10٪ من الكتلة) ولها وظائف محددة ويمكن أن تحسن بشكل كبير الخصائص الكهروكيميائية للبطارية. واستنادًا إلى وظائفها، يمكن تصنيف هذه الإضافات على نطاق واسع إلى عدة فئات: إضافات تشكيل الفيلم-، ومثبطات اللهب، والمواد المضافة لمنع الشحن الزائد. بالإضافة إلى ذلك، هناك إضافات تستخدم لتحسين التوصيلية، وتحسين الأداء في ظل ظروف درجات الحرارة المنخفضة-، أو التحكم في الكميات الضئيلة وتركيزات HF في محلول الإلكتروليت.