Elektrolit, nezaobilazna komponentalitijum{0}}jonske baterije, igra ključnu ulogu u ciklusima punjenja{0}}pražnjenja baterije.
Ne samo da je odgovoran za efikasan transport litijum jona i provođenje struje, već poseduje i elektronska izolaciona svojstva za efikasno sprečavanje direktnog protoka elektrona između pozitivne i negativne elektrode. Slikovito rečeno, elektrolit je poput "krvi" unutar litijum-jonske baterije, osiguravajući povezanost između materijala pozitivne i negativne elektrode, čime se garantuje nesmetan napredak cijelog procesa-pražnjenja.
Idealan elektrolit za litijum{0}}jonsku bateriju treba da ispuni sljedećih pet zahtjeva:
(1) High ionic conductivity (>10⁻3S/cm).
(2) Wide electrochemical window (>4,5 V u odnosu na Li+/Li).
(3) Dobra kompatibilnost sa elektrodama, održavajući najmanju moguću međufaznu otpornost.
(4) Odlična termička i hemijska stabilnost, omogućavajući bateriji da bezbedno radi u širokom temperaturnom opsegu.
(5) Niska cijena, niska toksičnost i ekološki prihvatljiva.
Uz sve-veće zahtjeve za gustinom energije baterije i gustinom snage, tehnologija baterija se brzo razvija, a materijali elektroda su postigli ogroman napredak. Nasuprot tome, razvoj elektrolitnih sistema je zaostao. Trenutno se razvoj elektrolita litijum{3}}jonskih baterija može široko klasificirati u tri tipa: ne-elektroliti sa rastvaračem u vodi, vodeni elektroliti i elektroliti u čvrstom stanju-.
Ne-elektrolit sa rastvaračem
Ne-elektroliti sa rastvaračem u litijum-ionskim baterijama se odnose na sisteme elektrolita koji ne sadrže vodu, uglavnom sastavljeni od rastvarača, rastvorenih materija (obično litijumovih soli) i aditiva. Ovi ne-vodeni rastvarači su obično organski rastvarači, a ne vodeni rastvarači, kako bi se izbjegla elektroliza vode ili neželjene reakcije s materijalima elektroda. Litijumske soli su primarni nosači za transport litijum-jona, rastvarači služe kao rastvaranje, disperzija i podrška za litijumove soli, a aditivi prvenstveno služe za poboljšanje elektrohemijskih performansi ili bezbednosti litijum-jonskih baterija.
Komercijalno dostupni elektroliti (tj. tečni elektroliti) koji se koriste u litijum-ionskim baterijama prvenstveno se sastoje od jedne ili više litijumovih soli rastvorenih u dva ili više organskih rastvarača; elektroliti sastavljeni od jednog rastvarača su vrlo rijetki. Razlog za korištenje više rastvarača je taj -baterije u stvarnom svijetu imaju različite, čak i kontradiktorne zahtjeve koje je teško ispuniti korištenjem jednog rastvarača. Na primjer, elektroliti mogu zahtijevati visoku fluidnost dok također imaju visoku dielektričnu konstantu; stoga se rastvarači sa različitim fizičko-hemijskim svojstvima često koriste u kombinaciji, pokazujući različite karakteristike istovremeno. Nadalje, litijeve soli se uglavnom ne koriste istovremeno jer je izbor litijevih soli ograničen, a njihove prednosti nisu lako očigledne.
Idealni organski rastvarači treba da poseduju sledeća ključna svojstva: Prvo, potrebna im je visoka dielektrična konstanta da bi se obezbedilo dobro rastvaranje litijumovih soli; drugo, trebalo bi da imaju nisku tačku topljenja i visoku tačku ključanja kako bi se proširio opseg radne temperature elektrolita; treće, niska viskoznost pomaže u promovisanju efikasne migracije litijum jona u medijumu; i konačno, ovi rastvarači bi trebali biti jeftini i imati nisku toksičnost (idealno ne-toksični). Karbonatna jedinjenja, kao jedan od najranijih i najraširenijih organskih rastvarača u industriji litijum-jonskih baterija, zauzimaju ključnu poziciju u oblasti elektrolita za baterije.
Trenutno ovaj tip rastvarača uglavnom uključuje dva strukturna oblika: ciklički i lančani. Tabela ispod sumira relevantne fizičke parametre nekoliko često korištenih ne-otapala, elektrolita i organskih rastvarača.
| Kategorija | Tip | Struktura | Tačka topljenja (stepen) | Tačka ključanja (stepen) | Pojedinačni pritisak pare (25 stepeni) | Relativna gustina (25 stepeni)/(mPa·s) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| etilen karbonat (EC) | Cyclic | 36.4 | 248 | 89,780 | 1.904 (40 stepeni) | |
| propilen karbonat (PC) | Cyclic | -48.4 | 242 | 64,920 | 2.53 | |
| Karbonati | butilen karbonat (BC) | Cyclic | -54.0 | 240 | 53,000 | 3.20 |
| dimetil karbonat (DMC) | Linearno | 4.6 | 91 | 3,107 | 0.59 | |
| dietil karbonat (DEC) | Linearno | -74.3 | 126 | 2,805 | 0.75 | |
| etil metil karbonat (EMC) | Linearno | -53.0 | 110 | 2,958 | 0.65 |
Trenutno se u elektrolitima široko koriste otapala alkil karbonata. Ovi rastvarači imaju dobru otpornost na oksidaciju i pokazuju odličnu stabilnost u uslovima visokog napona. Ciklični karbonati, kao što su etilen karbonat i propilen karbonat, poznati su po visokim dielektričnim konstantama, što znači da mogu efikasnije rastvoriti soli litijuma; međutim, zbog jakih međumolekularnih sila, ova otapala imaju visoku viskoznost, što usporava kretanje litijum jona unutar njih. Nasuprot tome, lančani karbonati, kao što su dimetil karbonat i dietil karbonat, iako imaju niži viskozitet, takođe imaju relativno niske dielektrične konstante, što rezultira relativno slabom efikasnošću rastvaranja litijumovih soli. Stoga se za pripremu sistema rastvora sa superiornom jonskom provodljivošću često mešaju različiti tipovi rastvarača, kao što su kombinacije PC+DEC ili EC+DMC. Litijumske soli, kao izvor litijum jona u elektrolitu, igraju glavnu ulogu u transportu litijum{7}}jona tokom procesa punjenja i pražnjenja litijum-jonskih baterija. Njihove performanse direktno utiču na mnoge aspekte litijum{10}}jonskih baterija, uključujući gustinu energije, gustinu snage, opseg radnog napona, životni vijek i sigurnost. Trenutno, u laboratorijskim istraživanjima i industrijskoj praksi, tipično se biraju litijeve soli velikog anjonskog radijusa i visoke redoks stabilnosti. Na osnovu njihovog hemijskog sastava, litijeve soli se mogu široko klasificirati u dvije kategorije: neorganske litijeve soli i organske litijeve soli. Razvijeno je nekoliko neorganskih litijumovih soli, uključujući LiPF6, LiClO4, LIBF i LIASF. Nasuprot tome, uobičajene organske litijeve soli u litijum-jonskim baterijama su formulisane dodavanjem elektron{18}}skupina za povlačenje anjona ovih neorganskih litijumovih soli, kao što su litijum dioksalato-borat (LiBOB), litijum difluorooksalat {B[20}OD] difluorosulfonilimid (LiFSI) i litijum ditrifluorometilsulfonilimid (LTFSI). Tabela ispod pokazuje relevantna fizičko-hemijska svojstva nekoliko često korišćenih litijumovih soli u litijum-jonskim baterijama.
| Kategorija | Lithium Salt | Molekularna težina (g/mol) | Rastvorljivo u karbonatima? | Rastvorljivo u vodi? | Električna provodljivost (1 mol/L, EC/DMC, 20 stepeni) (mS/cm) |
|---|---|---|---|---|---|
| Neorganske litijumske soli | LiPF₆ | 151.91 | Da | Da | 10.00 |
| LiBF₄ | 93.74 | Da | Da | 4.50 | |
| LiClO₄ | 106.40 | Da | Da | 9.00 | |
| Organske litijumske soli | LiTFSI | 287.08 | Da | Da | 6.18 |
| LiFSI | 187.07 | Da | Da | 10.40 | |
| LiBOB | 193.79 | Da | Da | 0.65 |
Aditivi su tvari koje se dodaju elektrolitu u niskim koncentracijama (obično ne više od 10% masenog udjela) koje imaju specifične funkcije i mogu značajno poboljšati elektrohemijske karakteristike baterije. Na osnovu svojih funkcija, ovi aditivi se mogu općenito klasificirati u nekoliko kategorija: aditivi za stvaranje filma, usporivači plamena i aditivi za sprječavanje prekomjernog punjenja. Pored toga, postoje aditivi koji se koriste za poboljšanje provodljivosti, optimizaciju performansi u uslovima niskih-temperatura ili kontrolu količine u tragovima i koncentracije HF u otopini elektrolita.