◆Qattiq elektrolitlar bilan tanishtirish
Elektrolitlar ajralmas komponent hisoblanadilityum{0}}ionli batareyalar, batareyaning zaryad-zaryadlanish davrlarida hal qiluvchi rol o'ynaydi.
U nafaqat lityum ionlarini samarali tashish va oqim o'tkazish uchun javobgardir, balki musbat va salbiy elektrodlar orasidagi to'g'ridan-to'g'ri elektron oqimini samarali oldini olish uchun elektron izolyatsiyalash xususiyatlariga ham ega. Majoziy ma'noda elektrolit litiy{1}}ionli akkumulyator ichidagi "qon"ga o'xshab, musbat va manfiy elektrod materiallari o'rtasidagi bog'lanishni ta'minlaydi va shu bilan butun zaryad-bo'shatish jarayonining uzluksiz davom etishini kafolatlaydi.
Lityum ion batareyasi uchun ideal elektrolitlar quyidagi beshta talabga javob berishi kerak:
(1) High ionic conductivity (>10⁻3S/sm).
(2) Wide electrochemical window (>4,5 V va Li+/Li).
(3) Elektrodlar bilan yaxshi muvofiqligi, mumkin bo'lgan eng past interfeys qarshiligini saqlab turish.
(4) Ajoyib termal va kimyoviy barqarorlik, batareyaning keng harorat oralig'ida xavfsiz ishlashiga imkon beradi.
(5) Arzon narx, past toksiklik va ekologik jihatdan qulay.
Batareya quvvati zichligi va quvvat zichligiga-ortib borayotgan talablar tufayli batareya texnologiyasi jadal rivojlanmoqda va elektrod materiallari ulkan yutuqlarga erishdi. Aksincha, elektrolitlar tizimlarining rivojlanishi orqada qoldi. Hozirgi vaqtda lityum-ionli akkumulyator elektrolitlarini ishlab chiqishni uch turga boʻlish mumkin: suvsiz erituvchi elektrolitlar, suvli elektrolitlar va qattiq elektrolitlar.
Suvli bo'lmagan{0}}erituvchi elektrolit
Litiy ionli batareyalardagi-suvli bo'lmagan erituvchi elektrolitlar- tarkibida suv bo'lmagan, asosan erituvchilar, erigan moddalar (odatda litiy tuzlari) va qo'shimchalardan tashkil topgan elektrolitlar tizimlariga ishora qiladi. Ushbu suvli bo'lmagan erituvchilar suvning elektrolizini yoki elektrod materiallari bilan salbiy reaktsiyalarni oldini olish uchun suvli erituvchilar emas, balki organik erituvchilardir. Litiy tuzlari litiy-ionlarini tashish uchun asosiy tashuvchilardir, erituvchilar litiy tuzlarini eritish, dispersiyalash va qoʻllab-quvvatlash vazifasini bajaradi, qoʻshimchalar esa, birinchi navbatda, litiy{6}}ionli batareyalarning elektrokimyoviy ishlashi yoki xavfsizligini yaxshilash uchun xizmat qiladi.
Litiy ionli akkumulyatorlarda ishlatiladigan tijoratda mavjud elektrolitlar (ya'ni suyuq elektrolitlar) asosan ikki yoki undan ortiq organik erituvchilarda erigan bir yoki bir nechta litiy tuzlaridan iborat; bitta erituvchidan tashkil topgan elektrolitlar juda kam uchraydi. Bir nechta erituvchidan foydalanishning sababi shundaki, haqiqiy akkumulyatorlar turli, hatto bir-biriga qarama-qarshi bo'lgan talablarga ega bo'lib, ularni bitta erituvchi yordamida qondirish qiyin. Masalan, elektrolitlar yuqori dielektrik o'tkazuvchanlikka ega bo'lgan holda yuqori suyuqlikni talab qilishi mumkin; shuning uchun turli xil fizik-kimyoviy xususiyatlarga ega bo'lgan erituvchilar ko'pincha bir vaqtning o'zida turli xil xususiyatlarni ko'rsatadigan kombinatsiyalarda qo'llaniladi. Bundan tashqari, lityum tuzlari odatda bir vaqtning o'zida ishlatilmaydi, chunki lityum tuzlarini tanlash cheklangan va ularning afzalliklari osongina ko'rinmaydi.
Ideal organik erituvchilar quyidagi asosiy xususiyatlarga ega bo'lishi kerak: Birinchidan, litiy tuzlarining yaxshi erishini ta'minlash uchun ular yuqori dielektrik o'tkazuvchanlikka muhtoj; ikkinchidan, elektrolitning ish harorati oralig'ini kengaytirish uchun ular past erish nuqtasi va yuqori qaynash nuqtasiga ega bo'lishi kerak; uchinchidan, past yopishqoqlik muhitda litiy ionlarining samarali migratsiyasini rag'batlantirishga yordam beradi; va nihoyat, bu erituvchilar arzon bo'lishi va past toksiklikka ega bo'lishi kerak (ideal -toksik bo'lmagan). Karbonat birikmalari litiy{2}}ionli akkumulyatorlar sanoatida eng qadimgi va eng koʻp qoʻllaniladigan organik erituvchilardan biri sifatida akkumulyator elektrolitlari sohasida hal qiluvchi oʻrinni egallaydi.
Hozirgi vaqtda bu turdagi erituvchi asosan ikkita strukturaviy shaklni o'z ichiga oladi: tsiklik va zanjirli. Quyidagi jadvalda bir nechta tez-tez ishlatiladigan suvsiz erituvchilar, elektrolitlar va organik erituvchilarning tegishli jismoniy parametrlari jamlangan.
| Turkum | Turi | Tuzilishi | Erish nuqtasi (daraja) | Qaynash nuqtasi (daraja) | Shaxsiy bug 'bosimi (25 daraja) | Nisbiy zichlik (25 daraja)/(mPa·s) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Etilen karbonat (EC) | Tsiklik | 36.4 | 248 | 89,780 | 1.904 (40 daraja) | |
| Propilen karbonat (PC) | Tsiklik | -48.4 | 242 | 64,920 | 2.53 | |
| Karbonatlar | Butilen karbonat (BC) | Tsiklik | -54.0 | 240 | 53,000 | 3.20 |
| Dimetil karbonat (DMC) | Chiziqli | 4.6 | 91 | 3,107 | 0.59 | |
| Dietil karbonat (DEC) | Chiziqli | -74.3 | 126 | 2,805 | 0.75 | |
| Etil metil karbonat (EMC) | Chiziqli | -53.0 | 110 | 2,958 | 0.65 |
Hozirgi vaqtda elektrolitlarda alkil karbonat erituvchilar keng qo'llaniladi. Ushbu erituvchilar yaxshi oksidlanish qarshiligiga ega va yuqori kuchlanish sharoitida mukammal barqarorlikni namoyish etadi. Etilen karbonat va propilen karbonat kabi siklik karbonatlar o'zlarining yuqori dielektrik konstantalari bilan mashhur, ya'ni ular lityum tuzlarini samaraliroq eritishi mumkin; ammo kuchli molekulalararo kuchlar tufayli bu erituvchilar yuqori yopishqoqlikka ega bo'lib, ular ichidagi litiy ionlarining harakatini sekinlashtiradi. Bundan farqli o'laroq, dimetil karbonat va dietil karbonat kabi zanjirli karbonatlar past yopishqoqlikka ega bo'lsa-da, nisbatan past dielektrik konstantalarga ega, bu esa lityum tuzlari uchun nisbatan past erish samaradorligiga olib keladi. Shuning uchun, yuqori ion o'tkazuvchanligiga ega eritma tizimlarini tayyorlash uchun har xil turdagi erituvchilar ko'pincha aralashtiriladi, masalan, PC + DEC yoki EC + DMC birikmalari. Litiy tuzlari elektrolitdagi litiy ionlarining manbai sifatida lityum ion batareyalarini zaryadlash va zaryadsizlantirish jarayonida litiy-ionlarini tashishda katta rol o'ynaydi. Ularning ishlashi litiy-ion batareyalarning koʻp jihatlariga, jumladan energiya zichligi, quvvat zichligi, ish kuchlanish diapazoni, aylanish muddati va xavfsizligiga bevosita taʼsir qiladi. Hozirgi vaqtda laboratoriya tadqiqotlari va sanoat amaliyotida odatda katta anion radiusli va yuqori redoks barqarorligiga ega lityum tuzlari tanlanadi. Kimyoviy tarkibiga ko'ra, litiy tuzlarini ikki toifaga bo'lish mumkin: noorganik litiy tuzlari va organik litiy tuzlari. LiPF6, LiClO4, LIBF va LIASF kabi bir qancha noorganik litiy tuzlari ishlab chiqilgan. Aksincha, litiy{17}}ionli batareyalarda keng tarqalgan organik litiy tuzlari ushbu noorganik litiy tuzlarining anionlariga, masalan, litiy dioksalato-borat (LiBOB), lityum{0}to{0}borat{0}borat{18}}kabi elektron tortib oluvchi guruhlarni qo‘shish yo‘li bilan tuzilgan. ([iODFB]), litiy diftorsulfonilimid (LiFSI) va litiy ditriflorometilsulfonilimid (LTFSI). Quyidagi jadvalda lityum ionli batareyalarda tez-tez ishlatiladigan bir nechta litiy tuzlarining tegishli fizik-kimyoviy xususiyatlari ko'rsatilgan.
| Turkum | Lityum tuzi | Molekulyar og'irligi (g/mol) | Karbonatlarda eriydimi? | Suvda eriydimi? | Elektr o'tkazuvchanligi (1 mol/L, EC/DMC, 20 daraja) (mS/sm) |
|---|---|---|---|---|---|
| Noorganik litiy tuzlari | LiPF₆ | 151.91 | Ha | Ha | 10.00 |
| LiBF₄ | 93.74 | Ha | Ha | 4.50 | |
| LiClO₄ | 106.40 | Ha | Ha | 9.00 | |
| Organik litiy tuzlari | LiTFSI | 287.08 | Ha | Ha | 6.18 |
| LiFSI | 187.07 | Ha | Ha | 10.40 | |
| LiBOB | 193.79 | Ha | Ha | 0.65 |
Qo'shimchalar - bu elektrolitga past konsentratsiyalarda (odatda massa bo'yicha 10% dan ko'p bo'lmagan) qo'shiladigan moddalar bo'lib, ular o'ziga xos funktsiyalarga ega va batareyaning elektrokimyoviy xususiyatlarini sezilarli darajada yaxshilaydi. Funktsiyalariga ko'ra, bu qo'shimchalarni bir nechta toifalarga ajratish mumkin: plyonka{2}}foydalanuvchi qo'shimchalar, olovni to'xtatuvchi moddalar va ortiqcha zaryadlanishning oldini olish uchun qo'shimchalar. Bundan tashqari, elektr o'tkazuvchanligini oshirish, past harorat sharoitida ishlashni optimallashtirish yoki elektrolitlar eritmasidagi iz miqdori va HF kontsentratsiyasini nazorat qilish uchun qo'llaniladigan qo'shimchalar mavjud.