Bedeutung des Lithium--Ionen-Batterieelektrolyten?

◆Was sind wässrige Elektrolyte?

◆Einführung in Festelektrolyte

Der Elektrolyt, ein unverzichtbarer Bestandteil vonLithium--Ionenbatterien, spielt eine entscheidende Rolle bei den Lade-{0}}Entladezyklen der Batterie.

Es ist nicht nur für den effizienten Transport von Lithiumionen und die Stromleitung verantwortlich, sondern verfügt auch über elektronische Isolationseigenschaften, um den direkten Elektronenfluss zwischen der positiven und negativen Elektrode wirksam zu verhindern. Im übertragenen Sinne ist der Elektrolyt wie das „Blut“ im Inneren einer Lithium--Ionen-Batterie und stellt die Verbindung zwischen den positiven und negativen Elektrodenmaterialien sicher, wodurch der reibungslose Ablauf des gesamten Lade--Entladevorgangs gewährleistet wird.

Ein idealer Elektrolyt für eine Lithium-{0}}Ionenbatterie sollte die folgenden fünf Anforderungen erfüllen:

Angesichts der ständig steigenden Anforderungen an die Energiedichte und Leistungsdichte von Batterien entwickelt sich die Batterietechnologie rasant weiter und die Elektrodenmaterialien haben enorme Fortschritte gemacht. Im Gegensatz dazu hinkt die Entwicklung von Elektrolytsystemen hinterher. Derzeit kann die Entwicklung von Elektrolyten für Lithium-Ionen-Batterien grob in drei Typen eingeteilt werden: nicht-wässrige Lösungsmittelelektrolyte, wässrige Elektrolyte und Festkörperelektrolyte.

Nicht-wässriger Lösungsmittelelektrolyt

 

Nicht-Elektrolyte mit nichtwässrigen Lösungsmitteln in Lithium--Ionenbatterien beziehen sich auf Elektrolytsysteme, die kein Wasser enthalten und hauptsächlich aus Lösungsmitteln, gelösten Stoffen (normalerweise Lithiumsalze) und Additiven bestehen. Bei diesen nicht-wässrigen Lösungsmitteln handelt es sich typischerweise um organische Lösungsmittel und nicht um wässrige Lösungsmittel, um eine Elektrolyse von Wasser oder nachteilige Reaktionen mit Elektrodenmaterialien zu vermeiden. Lithiumsalze sind die Hauptträger für den Transport von Lithiumionen, Lösungsmittel dienen der Auflösung, Dispersion und Unterstützung von Lithiumsalzen und Additive dienen in erster Linie dazu, die elektrochemische Leistung oder Sicherheit von Lithiumionenbatterien zu verbessern.

Im Handel erhältliche Elektrolyte (d. h. flüssige Elektrolyte), die in Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden, bestehen hauptsächlich aus einem oder mehreren Lithiumsalzen, die in zwei oder mehr organischen Lösungsmitteln gelöst sind; Elektrolyte, die aus einem einzigen Lösungsmittel bestehen, sind sehr selten. Der Grund für die Verwendung mehrerer Lösungsmittel liegt darin, dass Batterien in der Praxis unterschiedliche, sogar widersprüchliche Anforderungen haben, die mit einem einzigen Lösungsmittel nur schwer zu erfüllen sind. Beispielsweise erfordern Elektrolyte möglicherweise eine hohe Fließfähigkeit und gleichzeitig eine hohe Dielektrizitätskonstante. Daher werden Lösungsmittel mit unterschiedlichen physikalisch-chemischen Eigenschaften häufig in Kombination verwendet und weisen gleichzeitig unterschiedliche Eigenschaften auf. Darüber hinaus werden Lithiumsalze im Allgemeinen nicht gleichzeitig verwendet, da die Auswahl an Lithiumsalzen begrenzt ist und ihre Vorteile nicht leicht erkennbar sind.

Ideale organische Lösungsmittel sollten die folgenden Schlüsseleigenschaften besitzen: Erstens benötigen sie eine hohe Dielektrizitätskonstante, um eine gute Auflösung von Lithiumsalzen zu gewährleisten; Zweitens sollten sie einen niedrigen Schmelzpunkt und einen hohen Siedepunkt haben, um den Betriebstemperaturbereich des Elektrolyten zu erweitern. Drittens trägt eine niedrige Viskosität dazu bei, eine effiziente Migration von Lithiumionen im Medium zu fördern. und schließlich sollten diese Lösungsmittel kostengünstig sein und eine geringe Toxizität aufweisen (idealerweise ungiftig). Carbonatverbindungen nehmen als eines der frühesten und am weitesten verbreiteten organischen Lösungsmittel in der Lithium-Ionen-Batterieindustrie eine entscheidende Position im Bereich der Batterieelektrolyte ein.

Derzeit umfasst dieser Lösungsmitteltyp hauptsächlich zwei Strukturformen: zyklisch und kettenförmig. Die folgende Tabelle fasst die relevanten physikalischen Parameter mehrerer häufig verwendeter nicht-wässriger Lösungsmittel, Elektrolyte und organischer Lösungsmittel zusammen.

Derzeit werden Alkylcarbonat-Lösungsmittel häufig in Elektrolyten verwendet. Diese Lösungsmittel besitzen eine gute Oxidationsbeständigkeit und weisen eine ausgezeichnete Stabilität unter Hochspannungsbedingungen auf. Zyklische Carbonate wie Ethylencarbonat und Propylencarbonat sind für ihre hohe Dielektrizitätskonstante bekannt, was bedeutet, dass sie Lithiumsalze effektiver lösen können; Aufgrund starker intermolekularer Kräfte weisen diese Lösungsmittel jedoch eine hohe Viskosität auf, was die Bewegung der Lithiumionen in ihnen verlangsamt. Im Gegensatz dazu haben Kettencarbonate wie Dimethylcarbonat und Diethylcarbonat zwar eine geringere Viskosität, aber auch relativ niedrige Dielektrizitätskonstanten, was zu einer relativ schlechten Auflösungseffizienz für Lithiumsalze führt. Um Lösungssysteme mit überlegener Ionenleitfähigkeit herzustellen, werden daher häufig verschiedene Arten von Lösungsmitteln gemischt, beispielsweise PC+DEC- oder EC+DMC-Kombinationen. Lithiumsalze spielen als Quelle von Lithiumionen im Elektrolyten eine wichtige Rolle beim Lithiumionentransport während des Lade- und Entladevorgangs von Lithiumionenbatterien. Ihre Leistung wirkt sich direkt auf viele Aspekte von Lithium-Ionen-Batterien aus, darunter Energiedichte, Leistungsdichte, Betriebsspannungsbereich, Lebensdauer und Sicherheit. Derzeit werden in der Laborforschung und der industriellen Praxis typischerweise Lithiumsalze mit großen Anionenradien und hoher Redoxstabilität ausgewählt. Basierend auf ihrer chemischen Zusammensetzung können Lithiumsalze grob in zwei Kategorien eingeteilt werden: anorganische Lithiumsalze und organische Lithiumsalze. Es wurden mehrere anorganische Lithiumsalze entwickelt, darunter LiPF6, LiClO4, LIBF und LIASF. Im Gegensatz dazu werden häufig verwendete organische Lithiumsalze in Lithium--Ionenbatterien durch Hinzufügen von elektronen{18}}ziehenden Gruppen zu den Anionen dieser anorganischen Lithiumsalze formuliert, wie beispielsweise Lithiumdioxalato-borat (LiBOB), Lithiumdifluoroxalato-borat ([iODFB]), Lithiumdifluorsulfonylimid (LiFSI) und Lithiumditrifluormethylsulfonylimid (LTFSI). Die Tabelle unten zeigt die relevanten physikalisch-chemischen Eigenschaften mehrerer häufig verwendeter Lithiumsalze in Lithium---Ionenbatterien.

Additive sind Stoffe, die dem Elektrolyten in geringen Konzentrationen (in der Regel nicht mehr als 10 Masse-%) zugesetzt werden, spezifische Funktionen haben und die elektrochemischen Eigenschaften der Batterie deutlich verbessern können. Aufgrund ihrer Funktion können diese Zusatzstoffe grob in mehrere Kategorien eingeteilt werden: filmbildende Zusatzstoffe, Flammschutzmittel und Zusatzstoffe zur Verhinderung einer Überladung. Darüber hinaus gibt es Additive, die die Leitfähigkeit verbessern, die Leistung bei niedrigen Temperaturen optimieren oder Spurenmengen und HF-Konzentrationen in der Elektrolytlösung kontrollieren.