Hver er raflausnin í litíum rafhlöðu?

Hver er raflausnin í litíum rafhlöðu?

raflausn

Raflausnin í litíum-jónarafhlöðu er burðarefni jóna í rafhlöðunni. Það er yfirleitt samsett úr litíumsöltum, lífrænum leysum og aukefnum, eins og sýnt er á mynd 7-4. Raflausnin gegnir mikilvægu hlutverki við að leiða jónir á milli jákvæðra og neikvæðra rafskauta litíum-jónarafhlöðu og tryggir kosti þess eins og háspennu og mikla sérorku. Raflausnir eru venjulega framleiddir við sérstakar aðstæður og í sérstökum hlutföllum úr lífrænum leysum með miklum -hreinleika, litíumsöltum og nauðsynlegum aukefnum. Þó rafskautsefni ákvarða orkuþéttleika rafhlöðunnar, ákvarðar raflausnin í grundvallaratriðum hringrásarlíf hennar, háan og lágan hita og öryggi. Grunnsamsetning raflausnarinnar helst tiltölulega óbreytt; nýsköpun felst aðallega í þróun nýrra litíumsölta og aukefna, auk dýpri skilnings á efnafræðilegum efnaferlum og aðferðum sem taka þátt í litíumjónarafhlöðum.

Það eru til margar tegundir af litíumsöltum, eins og sýnt er á mynd 7-5, en mjög fáar eru notaðar í litíumjónarafhlöður sem fáanlegar eru í sölu. Tilvalið litíumsalt ætti að hafa eftirfarandi eiginleika:

1) Lágt tengslastig, auðveldlega leysanlegt í lífrænum leysum, sem tryggir mikla jónaleiðni raflausnarinnar.

2) Anjónir með andoxunarefni og minnkunarþol; afoxunarvörur auðvelda myndun stöðugrar SEI filmu með lítilli-viðnám.

3) Góður efnafræðilegur stöðugleiki, án þess að valda skaðlegum hliðarhvörfum við rafskautsefni, raflausn eða skilju.

4) Einfalt undirbúningsferli, litlum tilkostnaði, ekki-eitrað og-mengunarlaust.

LiPF6 er mest notaða litíumsaltið. Þó að einstakir eiginleikar þess séu ekki framúrskarandi, sýnir það tiltölulega ákjósanlegan heildarafköst í karbónatblönduðum raflausnum. LiPF6 hefur eftirfarandi helstu kosti:

1) Hentug leysni og mikil jónaleiðni í ó-vatnskenndum leysum.

2) Það getur myndað stöðuga passiveringsfilmu á yfirborði álpappírsstraumsafnara.

3) Það myndar á samverkandi hátt stöðuga SEI filmu á yfirborði grafít rafskautsins með karbónat leysiefnum.

Hins vegar hefur LiPF6 lélegan hitastöðugleika og er viðkvæmt fyrir niðurbrotsviðbrögðum. Aukaafurðir geta skemmt SEI filmuna á yfirborði rafskautsins, leyst upp virku rafskautshlutana og leitt til rýrnunar á getu meðan á hjólreiðum stendur.

LiBF er einnig algengt litíumsalt aukefni. Í samanburði við LiPF6 hefur LiBF breiðara rekstrarhitasvið, betri háan-hitastöðugleika og yfirburða afköst við lága-hita. LiBF býr yfir mikilli leiðni, breiðum rafefnafræðilegum glugga og góðum hitastöðugleika. Mesti kostur þess liggur í myndmyndunareiginleikum þess-, þar sem það getur tekið beinan þátt í myndun SEI kvikmyndarinnar.

Byggingarlega séð er LiDFOB samsett úr hálfum-sameindum af LiBOB og LiBF, sem sameinar kosti góðs filmu-myndandi eiginleika LiBOB og góðs lág-hitaframmistöðu LiBF4. Í samanburði við LiBOB hefur LiDFOB meiri leysni í línulegum karbónatleysum og hærri raflausnleiðni. Hátt-hitastig og lágt-hitastig þess er betra en LiPF4 og það hefur góða samhæfni við bakskaut rafhlöðunnar, myndar passiveringsfilmu á yfirborði álpappírsins og hindrar oxun raflausna.

CF₃SO₂ hóparnir í LiTFSI uppbyggingunni hafa sterk rafeinda-frádráttaráhrif, sem eykur afstaðsetningu neikvæðu hleðslunnar og dregur úr jónatengslapörun, sem leiðir til mikils leysni saltsins. Ennfremur hefur LiTFSI mikla rafleiðni, hátt varma niðurbrotshitastig og er ekki auðveldlega vatnsrofið; hins vegar mun það tæra álstraumsafara verulega við spennu yfir 3,7V.

Flúoratómin í LiFSI sameindinni hafa sterka rafeindatökueiginleika- sem flytja neikvæðu hleðsluna á N, sem leiðir til veikrar jónatengingar og auðveldrar sundrunar Li+, sem leiðir þannig til mikillar leiðni.

LiPO2F2 sýnir góða afköst við lága-hita og bætir einnig háan-hitavirkni raflausnarinnar. Sem aukefni getur það myndað SEI-filmu sem er rík af LixPOyFz og LiF á yfirborði neikvæða rafskautsins, sem hjálpar til við að draga úr viðnám rafhlöðuviðnáms og bæta afköst rafhlöðunnar. Hins vegar þjáist LiPO2F2 einnig af litlum leysni.

Aðalþátturinn ífljótandi raflausner lífræni leysirinn, sem leysir upp litíumsölt og veitir burðarefni fyrir litíumjónir. Tilvalinn lífrænn leysir fyrir litíum-rafhlöðu raflausn þarf að uppfylla eftirfarandi skilyrði:

1) Hár rafstuðull og sterkur leysisgeta fyrir litíumsölt.

2) Lágt bræðslumark og hátt suðumark, viðheldur fljótandi ástandi yfir breitt hitastig.

3) Lág seigja, auðveldar flutning litíum-jóna.

4) Góður efnafræðilegur stöðugleiki, skemmir ekki jákvæða og neikvæða rafskautsbyggingu eða leysir upp jákvæð og neikvæð rafskautsefni.

5) Hár blossamark, gott öryggi, litlum tilkostnaði, ekki-eitrað og ekki-mengandi.

Algeng lífræn leysiefni sem notuð eru í litíum-rafhlöðusöltum er aðallega skipt í karbónatleysi og lífræna eterleysi, eins og sýnt er á mynd 7-6. Til að fá há-afkastamikil litíumjón rafhlöðu raflausn er venjulega notaður blandaður leysir sem inniheldur tvo eða fleiri lífræna leysi, sem gerir þeim kleift að bæta hvert annað upp og ná betri heildarafköstum. Eðliseiginleikar algengra karbónatleysiefna eru sýndir í töflu 7-1.

Tafla 7-1 Eðliseiginleikar algengra karbónatleysiefna

Lífræn eterleysir innihalda aðallega keðjuetera eins og 1,2-dímetoxýprópan (DMP), dímetoxýmetan (DMM) og etýlenglýkóldímetýleter (DME), og hringlaga etra eins og tetrahýdrófúran (THF) og 2-metýltetrahýdrófúran (2-Me-THF). Fyrir keðjueter leysiefni, því lengri sem kolefniskeðjan er, því betri er efnafræðilegur stöðugleiki, en því meiri seigja og því minni flæðihraði litíumjóna. Etýlen glýkól dímetýleter getur myndað tiltölulega stöðugt chelate (LiPF6·DME) með litíumhexaflúorfosfati, sem sýnir sterkan uppleysandi kraft fyrir litíumsölt og leiðir til mikillar raflausnarleiðni. Hins vegar hefur DME lélegan efnafræðilegan stöðugleika og getur ekki myndað stöðuga passiveringsfilmu á yfirborði neikvæða rafskautsefnisins.

Karbónatleysir innihalda hringlaga karbónat eins og própýlenkarbónat (PC) og etýlenkarbónat (EC), og keðjukarbónat eins og dímetýlkarbónat (DMC), díetýlkarbónat (DEC) og metýletýlkarbónat (EMC). Hringlaga karbónöt hafa háan rafstuðul, sem gerir litíumsölt leysanlegri, en þau hafa einnig mikla seigju, sem leiðir til minni flæðihraða litíum-jóna. Keðjukarbónöt eru með lágan rafstuðul og lítinn leysni litíumsalts, en lága seigju og gott flæði, sem auðveldar flutning litíum-jóna.

Tegundir eldtefjandi aukefna fyrir litíum-jónasölt eru sýndar á mynd 7-7. Aukefni, notuð í litlu magni, hafa umtalsverð áhrif og eru hagkvæm og hagnýt aðferð til að bæta afköst litíum-jónarafhlöðu. Með því að bæta litlum skammti af aukefnum við raflausn litíum-jónarafhlöðna er hægt að bæta ákveðna afköst rafhlöðu sérstaklega, eins og afturkræf getu, rafskaut/raflausnsamhæfi, hringrásafköst, hraðafköst og öryggisafköst, sem gegna mikilvægu hlutverki í litíum-rafhlöðum. Tilvalið litíumjón rafhlöðu raflausnaaukefni ætti að hafa eftirfarandi fjóra eiginleika:

1) Mikil leysni í lífrænum leysum.

2) Lítið magn getur verulega bætt einn eða fleiri frammistöðueiginleika.

3) Engin skaðleg aukaverkanir við aðra rafhlöðuíhluti sem hafa áhrif á afköst rafhlöðunnar.

4) Lítil kostnaður, ó-eitrað eða lítil eiturhrif.

Byggt á virkni þeirra er hægt að flokka aukefni í leiðandi aukefni, ofhleðsluvörn, logavarnarefni, SEI filmu-myndandi aukefni, bakskautsefnisvörn, LiPF6 sveiflujöfnun og önnur hagnýt aukefni.

Leiðandi aukefni bæta hraðafköst litíum-jónarafhlöðu með því að samræma við saltajónir, stuðla að upplausn litíumsalts og auka raflausnleiðni. Vegna þess að leiðandi aukefni vinna með samhæfingarviðbrögðum eru þau einnig kölluð bindilaukefni og eru flokkuð í anjóníska bindla, katjóníska bindla og hlutlausa bindla byggða á víxlverkandi jóninni.

Ofhleðsluvarnir veita ofhleðsluvörn eða auka yfirhleðsluþol. Þau eru virkniflokkuð í redoxaukefni og einliðaaukefni. Eins og er, eru redoxaukefni aðallega anísól röð, sem hafa mikla redox möguleika og góða leysni. Einliðaaukefni gangast undir fjölliðunarviðbrögð við háspennu, losa lofttegundir og fjölliðan hjúpar yfirborð bakskautsefnisins og truflar hleðsluna. Einliða aukefni innihalda aðallega arómatísk efnasambönd eins og xýlen og fenýlsýklóhexan.

Logavarnarefni aukaefni virka með því að hækka íkveikjumark raflausnarinnar eða stöðva keðjuverkun sindurefna sem hindrar bruna. Gerðir þeirra eru sýndar á mynd 7-8. Að bæta við logavarnarefnum er ein mikilvægasta leiðin til að draga úr eldfimi raflausnarinnar, víkka rekstrarhitasvið litíumjónarafhlöðu og bæta árangur þeirra. Verkunarháttur logavarnarefna aukefna er aðallega tvíþættur:

1) Með því að búa til einangrunarlag á milli gasfasans og þéttingsfasans koma þeir í veg fyrir bruna bæði í þéttum og gasfasa.

2) Þeir fanga sindurefna við brunahvarfsferlið og binda enda á sindurefnakeðjuverkun sem hindrar brunahvörf milli gasfasa.