◆Суудагы электролиттер деген эмне?
◆Катуу электролиттерге киришүү
электролит, анын ажырагыс компонентилитий-иондук батареялар, батареянын заряды-разрядында маанилүү роль ойнойт.
Бул литий иондорунун натыйжалуу ташуу жана ток өткөрүү үчүн гана жооптуу эмес, ошондой эле оң жана терс электроддор ортосундагы түздөн-түз электрон агымын натыйжалуу алдын алуу үчүн электрондук жылуулоо касиеттерге ээ. Образдуу айтканда, электролит литий{1}}батареясынын ичиндеги "канга" окшош, ал оң жана терс электрод материалдарынын ортосундагы байланышты камсыздайт, ошону менен бүт заряд-разряд процессинин үзгүлтүксүз жүрүшүнө кепилдик берет.
Литий-иондук батарея үчүн идеалдуу электролит төмөнкү беш талапка жооп бериши керек:
(1) High ionic conductivity (>10⁻3S/см).
(2) Wide electrochemical window (>4,5 V vs. Li+/Li).
(3) электроддор менен жакшы шайкештик, мүмкүн болушунча төмөнкү интерфалдык каршылыкты сактоо.
(4) Мыкты жылуулук жана химиялык туруктуулук, батареянын температуранын кеңири диапазонунда коопсуз иштөөсүнө шарт түзөт.
(5) Төмөн наркы, аз уулуулугу жана экологиялык таза.
Батареянын кубаттуулугуна жана кубаттуулугуна -тынымсыз талаптардын өсүшү менен, батареянын технологиясы тез өнүгүп, электрод материалдары эбегейсиз ийгиликтерге жетишти. Ал эми электролит системаларынын өнүгүшү артта калган. Учурда литий-иондук батареянын электролиттерин иштеп чыгууну үч түргө бөлүүгө болот: -суусуз эриткич электролиттер, суудагы электролиттер жана катуу- абалдагы электролиттер.
Суу{0}}болбогон эриткич электролит
Литий-иондук батареялардагы-суусуз эриткич электролиттер-деп сууну камтыбаган, негизинен эриткичтерден, эриген заттардан (көбүнчө литий туздары) жана кошумчалардан турган электролит системалары айтылат. Бул суу эмес эриткичтер суунун электролизине же электрод материалдары менен терс реакцияларга жол бербөө үчүн суудагы эриткичтерге караганда, адатта, органикалык эриткичтер. Литий туздары литий-иондорун ташуу үчүн негизги ташыгычтар болуп саналат, эриткичтер литий туздарын эритүү, дисперсиялоо жана колдоо катары кызмат кылат, ал эми кошумчалар биринчи кезекте литий-батареялардын электрохимиялык иштешин же коопсуздугун жакшыртуу үчүн иштешет.
Литий{2}}батареяларда колдонулган коммерциялык жеткиликтүү электролиттер (б.а. суюк электролиттер) негизинен эки же андан көп органикалык эриткичтерде эриген бир же бир нече литий туздарынан турат; бир эриткичтен турган электролиттер өтө сейрек кездешет. Бир нече эриткичти колдонуунун себеби, чыныгы{4}}дүйнөлүк аккумуляторлор ар кандай, атүгүл карама-каршы талаптарга ээ жана аларды бир эриткичти колдонуу менен канааттандыруу кыйын. Мисалы, электролиттер жогорку суюктукту талап кылышы мүмкүн, ошол эле учурда жогорку диэлектрдик туруктуулукка ээ; ошондуктан ар кандай физикалык-химиялык касиеттерге ээ эриткичтер көбүнчө айкалыштырып колдонулат, бир эле учурда ар кандай мүнөздөмөлөрдү көрсөтөт. Андан тышкары, литий туздары жалпысынан бир эле учурда колдонулбайт, анткени литий туздарын тандоо чектелген жана алардын артыкчылыктары оңой эле байкалбайт.
Идеалдуу органикалык эриткичтер төмөнкүдөй негизги өзгөчөлүктөргө ээ болушу керек: Биринчиден, литий туздарынын жакшы эришин камсыз кылуу үчүн аларга жогорку диэлектрдик туруктуулук керек; экинчиден, электролиттин иштөө температурасынын диапазонун кеңейтүү үчүн алар төмөн эрүү жана жогорку кайноо температурасына ээ болушу керек; үчүнчүдөн, төмөн илешкектүүлүк литий иондорунун чөйрөдө эффективдүү миграциясына көмөктөшөт; жана акырында, бул эриткичтер арзан жана уулуулугу төмөн болушу керек (идеалында -уу эмес). Карбонаттык кошулмалар литий-батарея тармагында эң алгачкы жана эң кеңири колдонулган органикалык эриткичтердин бири катары, аккумулятордук электролиттер тармагында чечүүчү орунду ээлейт.
Учурда эриткичтин бул түрү негизинен эки структуралык форманы камтыйт: циклдик жана чынжырлуу. Төмөнкү таблицада бир нече көп колдонулган -суусуз эриткичтердин, электролиттердин жана органикалык эриткичтердин тиешелүү физикалык параметрлери келтирилген.
| Категория | Type | Структура | Эрүү чекити (даража) | Кайноо чекити (даража) | Жеке буу басымы (25 градус) | Салыштырмалуу тыгыздык (25 градус)/(mPa·s) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| этилен карбонаты (EC) | Циклдик | 36.4 | 248 | 89,780 | 1.904 (40 градус) | |
| Пропилен карбонаты (PC) | Циклдик | -48.4 | 242 | 64,920 | 2.53 | |
| Карбонаттар | Бутилен карбонаты (BC) | Циклдик | -54.0 | 240 | 53,000 | 3.20 |
| Диметил карбонат (DMC) | Сызыктуу | 4.6 | 91 | 3,107 | 0.59 | |
| Диэтилкарбонат (DEC) | Сызыктуу | -74.3 | 126 | 2,805 | 0.75 | |
| этил метил карбонаты (EMC) | Сызыктуу | -53.0 | 110 | 2,958 | 0.65 |
Азыркы учурда алкилкарбонатты эриткичтер электролиттерде кеңири колдонулат. Бул эриткичтер жакшы кычкылданууга каршылыкка ээ жана жогорку чыңалуу шарттарында сонун туруктуулукту көрсөтөт. Этилен карбонаты жана пропилен карбонаты сыяктуу циклдик карбонаттар жогорку диэлектрдик туруктуулугу менен белгилүү, башкача айтканда, алар литий туздарын натыйжалуураак эритет; бирок күчтүү молекулалар аралык күчтөрдүн аркасында бул эриткичтер жогорку илешкектүүлүккө ээ, бул алардын ичиндеги литий иондорунун кыймылын жайлатат. Ал эми, чынжыр карбонаттары, мисалы, диметил карбонат жана диэтил карбонат, илешкектүүлүгү төмөн болсо да, диэлектрик туруктуулугу салыштырмалуу төмөн, бул литий туздары үчүн салыштырмалуу начар эрүү эффективдүүлүгүнө алып келет. Ошондуктан, жогорку иондук өткөргүчтүк менен чечүү системаларын даярдоо үчүн, эриткичтердин ар кандай түрлөрү, мисалы, PC + DEC же EC + DMC айкалыштары көп аралашат. Литий туздары электролиттеги литий иондорунун булагы катары, литий-батареяларды заряддоо жана разряддоо процессинде литий-иондорун ташууда чоң роль ойнойт. Алардын иштеши литий-иондук батарейкалардын-көп аспектилерине, анын ичинде энергиянын тыгыздыгы, кубаттуулуктун тыгыздыгы, иштөө чыңалуу диапазону, циклдин иштөө мөөнөтү жана коопсуздукка түздөн-түз таасир этет. Азыркы учурда, лабораториялык изилдөө жана өнөр жай практикасында, адатта, чоң аниондук радиустары жана жогорку редокс туруктуулугу менен литий туздары тандалып алынат. Химиялык курамы боюнча литий туздары эки категорияга бөлүнөт: органикалык эмес литий туздары жана органикалык литий туздары. Бир нече органикалык эмес литий туздары иштелип чыккан, анын ичинде LiPF6, LiClO4, LIBF жана LIASF. Ал эми, литий{17}}батареяларда кеңири колдонулган органикалык литий туздары бул органикалык эмес литий туздарынын аниондоруна, мисалы, литий диоксалат-борат (LiBOB), литий-, литий{0}, луороокалади{0}{18}}болуучу аниондорго электрон тартуучу топторду кошуу аркылуу түзүлөт. ([iODFB]), литий дифторсульфонилимид (LiFSI) жана литий дитрифторметилсульфонилимид (LTFSI). Төмөнкү таблицада литий-иондук батареяларда көп колдонулган бир нече литий туздарынын тиешелүү физикалык-химиялык касиеттери көрсөтүлгөн.
| Категория | Литий тузу | Молекулярдык Салмагы (г/моль) | Карбонаттарда эрийт? | Сууда эрийт? | Электр өткөргүчтүк (1 моль/л, EC/DMC, 20 градус) (мС/см) |
|---|---|---|---|---|---|
| Органикалык эмес литий туздары | LiPF₆ | 151.91 | Ооба | Ооба | 10.00 |
| LiBF₄ | 93.74 | Ооба | Ооба | 4.50 | |
| LiClO₄ | 106.40 | Ооба | Ооба | 9.00 | |
| Органикалык литий туздары | LiTFSI | 287.08 | Ооба | Ооба | 6.18 |
| LiFSI | 187.07 | Ооба | Ооба | 10.40 | |
| LiBOB | 193.79 | Ооба | Ооба | 0.65 |
Кошумчалар – электролитке аз концентрацияда кошулуучу (адатта массасы боюнча 10% дан ашпаган) белгилүү бир функцияларды аткарган жана аккумулятордун электрохимиялык мүнөздөмөлөрүн олуттуу түрдө жакшыртуучу заттар. Функцияларынын негизинде бул кошумчаларды жалпысынан бир нече категорияга классификациялоого болот: пленка түзүүчү-кошумчалар, жалындан сактагычтар жана ашыкча заряддын алдын алуу үчүн кошумчалар. Кошумчалай кетсек, электр өткөргүчтүктү жогорулатуу, төмөнкү -температура шарттарында өндүрүмдүүлүктү оптималдаштыруу же электролит эритмесиндеги микросхемалардын жана HF концентрацияларын көзөмөлдөө үчүн колдонулган кошумчалар бар.