¿Significado del electrolito de batería de iones de litio-?

◆¿Qué son los electrolitos acuosos?

◆Introducción a los electrolitos sólidos

El electrolito, un componente indispensable debaterías de iones de litio-, juega un papel crucial en los ciclos de carga-descarga de la batería.

No sólo es responsable del transporte eficiente de iones de litio y la conducción de corriente, sino que también posee propiedades de aislamiento electrónico para prevenir eficazmente el flujo directo de electrones entre los electrodos positivo y negativo. En sentido figurado, el electrolito es como la "sangre" dentro de una batería de iones de litio-, asegurando la conectividad entre los materiales del electrodo positivo y negativo, garantizando así el buen progreso de todo el proceso de carga-descarga.

Un electrolito ideal para una batería-de iones de litio debe cumplir los siguientes cinco requisitos:

Con las crecientes-demandas de densidad de energía y densidad de potencia de las baterías, la tecnología de las baterías se está desarrollando rápidamente y los materiales de los electrodos han logrado enormes avances. Por el contrario, el desarrollo de sistemas electrolíticos se ha quedado atrás. Actualmente, el desarrollo de electrolitos para baterías de iones de litio-se puede clasificar en términos generales en tres tipos: electrolitos de solventes no-acuosos, electrolitos acuosos y electrolitos de estado sólido-.

Electrolito solvente no-acuoso

 

Los electrolitos solventes no-acuosos en las baterías-de litio se refieren a sistemas de electrolitos que no contienen agua, compuestos principalmente por solventes, solutos (generalmente sales de litio) y aditivos. Estos disolventes no-acuosos suelen ser disolventes orgánicos, en lugar de disolventes acuosos, para evitar la electrólisis del agua o reacciones adversas con los materiales de los electrodos. Las sales de litio son los principales vehículos para el transporte de iones de litio-, los disolventes sirven como disolución, dispersión y soporte para las sales de litio, y los aditivos funcionan principalmente para mejorar el rendimiento electroquímico o la seguridad de las baterías de iones de litio-.

Los electrolitos disponibles comercialmente (es decir, electrolitos líquidos) utilizados en baterías de iones de litio-están compuestos principalmente de una o más sales de litio disueltas en dos o más disolventes orgánicos; Los electrolitos compuestos de un solo disolvente son muy raros. La razón para usar múltiples solventes es que-las baterías del mundo real tienen requisitos diferentes, incluso contradictorios, que son difíciles de cumplir usando un solo solvente. Por ejemplo, los electrolitos pueden requerir una alta fluidez y al mismo tiempo tener una constante dieléctrica alta; por lo tanto, a menudo se utilizan en combinación disolventes con diferentes propiedades fisicoquímicas, que presentan diferentes características simultáneamente. Además, las sales de litio generalmente no se usan simultáneamente porque la selección de sales de litio es limitada y sus ventajas no son fácilmente evidentes.

Los disolventes orgánicos ideales deberían poseer las siguientes propiedades clave: primero, necesitan una constante dieléctrica alta para asegurar una buena disolución de las sales de litio; en segundo lugar, deben tener un punto de fusión bajo y un punto de ebullición alto para ampliar el rango de temperatura de funcionamiento del electrolito; tercero, la baja viscosidad ayuda a promover la migración eficiente de iones de litio en el medio; y, por último, estos disolventes deberían ser económicos y tener baja toxicidad (idealmente no-tóxicos). Los compuestos de carbonato, como uno de los primeros y más utilizados disolventes orgánicos en la industria de las baterías de iones de litio-, ocupan una posición crucial en el campo de los electrolitos de baterías.

Actualmente, este tipo de disolvente incluye principalmente dos formas estructurales: cíclica y de cadena. La siguiente tabla resume los parámetros físicos relevantes de varios solventes no-acuosos, electrolitos y solventes orgánicos de uso común.

Actualmente, los disolventes de carbonato de alquilo se utilizan ampliamente en electrolitos. Estos disolventes poseen buena resistencia a la oxidación y exhiben una excelente estabilidad en condiciones de alto voltaje. Los carbonatos cíclicos, como el carbonato de etileno y el carbonato de propileno, son conocidos por sus altas constantes dieléctricas, lo que significa que pueden disolver las sales de litio de manera más efectiva; sin embargo, debido a las fuertes fuerzas intermoleculares, estos disolventes tienen una alta viscosidad, lo que ralentiza el movimiento de los iones de litio en su interior. Por el contrario, los carbonatos de cadena, como el carbonato de dimetilo y el carbonato de dietilo, aunque tienen una viscosidad más baja, también tienen constantes dieléctricas relativamente bajas, lo que da como resultado una eficiencia de disolución relativamente pobre para las sales de litio. Por lo tanto, para preparar sistemas de solución con conductividad iónica superior, a menudo se mezclan diferentes tipos de disolventes, como combinaciones de PC+DEC o EC+DMC. Las sales de litio, como fuente de iones de litio en el electrolito, desempeñan un papel importante en el transporte de iones de litio-durante el proceso de carga y descarga de las baterías de iones de litio-. Su rendimiento afecta directamente muchos aspectos de las baterías de iones de litio-, incluida la densidad de energía, la densidad de potencia, el rango de voltaje operativo, el ciclo de vida y la seguridad. Actualmente, en la investigación de laboratorio y en la práctica industrial, normalmente se seleccionan sales de litio con grandes radios aniónicos y alta estabilidad redox. Según su composición química, las sales de litio se pueden clasificar en términos generales en dos categorías: sales de litio inorgánicas y sales de litio orgánicas. Se han desarrollado varias sales de litio inorgánicas, incluidas LiPF6, LiClO4, LIBF y LIASF. Por el contrario, las sales de litio orgánicas comúnmente utilizadas en las baterías de iones de litio-se formulan añadiendo grupos aceptores de electrones a los aniones de estas sales de litio inorgánicas, como dioxalato{19}}borato de litio (LiBOB), difluorooxalato{20}}borato de litio ([iODFB]), difluorosulfonilimida de litio (LiFSI) y ditrifluorometilsulfonilimida de litio. (LTFSI). La siguiente tabla muestra las propiedades fisicoquímicas relevantes de varias sales de litio comúnmente utilizadas en baterías de iones de litio-.

Los aditivos son sustancias que se añaden al electrolito en bajas concentraciones (normalmente no más del 10% en masa) que tienen funciones específicas y pueden mejorar significativamente las características electroquímicas de la batería. Según sus funciones, estos aditivos se pueden clasificar en varias categorías: aditivos formadores de película-, retardantes de llama y aditivos para evitar la sobrecarga. Además, se utilizan aditivos para mejorar la conductividad, optimizar el rendimiento en condiciones de baja-temperatura o controlar trazas y concentraciones de HF en la solución de electrolito.