லித்தியம் பேட்டரியில் உள்ள எலக்ட்ரோலைட் என்றால் என்ன?
எலக்ட்ரோலைட்
லித்தியம்-அயன் பேட்டரியில் உள்ள எலக்ட்ரோலைட் என்பது பேட்டரியில் உள்ள அயனிகளின் கேரியர் ஆகும். படம் 7-4 இல் காட்டப்பட்டுள்ளபடி இது பொதுவாக லித்தியம் உப்புகள், கரிம கரைப்பான்கள் மற்றும் சேர்க்கைகளால் ஆனது. லித்தியம் மின்கலத்தின் நேர்மறை மற்றும் எதிர்மறை மின்முனைகளுக்கு இடையே அயனிகளை கடத்துவதில் எலக்ட்ரோலைட் முக்கிய பங்கு வகிக்கிறது, இது உயர் மின்னழுத்தம் மற்றும் உயர் குறிப்பிட்ட ஆற்றல் போன்ற அதன் நன்மைகளை உறுதி செய்கிறது. எலக்ட்ரோலைட்டுகள் பொதுவாக குறிப்பிட்ட நிலைமைகளின் கீழ் மற்றும் குறிப்பிட்ட விகிதத்தில் அதிக{8}}தூய்மை கரிம கரைப்பான்கள், லித்தியம் உப்புகள் மற்றும் தேவையான சேர்க்கைகள் ஆகியவற்றிலிருந்து தயாரிக்கப்படுகின்றன. எலக்ட்ரோடு பொருட்கள் பேட்டரியின் ஆற்றல் அடர்த்தியை நிர்ணயிக்கும் போது, எலக்ட்ரோலைட் அதன் சுழற்சி ஆயுட்காலம், உயர் மற்றும் குறைந்த வெப்பநிலை செயல்திறன் மற்றும் பாதுகாப்பை அடிப்படையில் தீர்மானிக்கிறது. எலக்ட்ரோலைட்டின் அடிப்படை கலவை ஒப்பீட்டளவில் மாறாமல் உள்ளது; புதுமை முக்கியமாக நாவல் லித்தியம் உப்புகள் மற்றும் சேர்க்கைகளின் வளர்ச்சியில் உள்ளது, அத்துடன் இடைமுக இரசாயன செயல்முறைகள் மற்றும் லித்தியம் அயன் பேட்டரிகளில் ஈடுபடும் வழிமுறைகள் பற்றிய ஆழமான புரிதல்.
படம் 7-5 இல் காட்டப்பட்டுள்ளபடி, பல வகையான லித்தியம் உப்புகள் உள்ளன, ஆனால் வணிக ரீதியாக கிடைக்கும் லித்தியம்-அயன் பேட்டரிகளில் மிகச் சிலவே பயன்படுத்தப்படுகின்றன. ஒரு சிறந்த லித்தியம் உப்பு பின்வரும் பண்புகளைக் கொண்டிருக்க வேண்டும்:
1) குறைந்த அசோசியேஷன் பட்டம், கரிம கரைப்பான்களில் எளிதில் கரையக்கூடியது, எலக்ட்ரோலைட்டின் உயர் அயனி கடத்துத்திறனை உறுதி செய்கிறது.
2) ஆக்ஸிஜனேற்ற மற்றும் குறைப்பு எதிர்ப்பைக் கொண்ட அனான்கள்; குறைப்பு தயாரிப்புகள் ஒரு நிலையான, குறைந்த{1}}எதிர்ப்பு SEI திரைப்படத்தை உருவாக்க உதவுகிறது.
3) நல்ல இரசாயன நிலைத்தன்மை, எலக்ட்ரோடு பொருட்கள், எலக்ட்ரோலைட்டுகள் அல்லது பிரிப்பான்களுடன் தீங்கு விளைவிக்கும் பக்க எதிர்வினைகளை ஏற்படுத்தாமல்.
4) எளிமையான தயாரிப்பு செயல்முறை, குறைந்த விலை,-நச்சுத்தன்மையற்ற மற்றும் மாசு{2}}இல்லாதது.
LiPF6 என்பது மிகவும் பரவலாகப் பயன்படுத்தப்படும் லித்தியம் உப்பு ஆகும். அதன் தனிப்பட்ட பண்புகள் மிகச் சிறந்ததாக இல்லாவிட்டாலும், கார்பனேட் கலந்த கரைப்பான் எலக்ட்ரோலைட்டுகளில் ஒப்பீட்டளவில் உகந்த ஒட்டுமொத்த செயல்திறனை வெளிப்படுத்துகிறது. LiPF6 பின்வரும் முக்கிய நன்மைகளைக் கொண்டுள்ளது:
1) நீர் அல்லாத கரைப்பான்களில் பொருத்தமான கரைதிறன் மற்றும் உயர் அயனி கடத்துத்திறன்.
2) இது அலுமினியத் தாளில் மின்னோட்ட சேகரிப்பாளர்களின் மேற்பரப்பில் ஒரு நிலையான செயலற்ற படமாக உருவாக்க முடியும்.
3) இது கார்பனேட் கரைப்பான்களுடன் கிராஃபைட் மின்முனையின் மேற்பரப்பில் ஒரு நிலையான SEI படத்தை ஒருங்கிணைந்த முறையில் உருவாக்குகிறது.
இருப்பினும், LiPF6 மோசமான வெப்ப நிலைத்தன்மையைக் கொண்டுள்ளது மற்றும் சிதைவு எதிர்வினைகளுக்கு ஆளாகிறது. துணை தயாரிப்புகள் மின்முனை மேற்பரப்பில் உள்ள SEI படத்தை சேதப்படுத்தும், நேர்மறை மின்முனை செயலில் உள்ள கூறுகளை கலைத்து, சைக்கிள் ஓட்டும் போது திறன் சிதைவுக்கு வழிவகுக்கும்.
LiBF என்பது பொதுவாக பயன்படுத்தப்படும் லித்தியம் உப்பு சேர்க்கையாகும். LiPF6 உடன் ஒப்பிடும்போது, LiBF ஆனது பரந்த இயக்க வெப்பநிலை வரம்பையும், சிறந்த உயர்{2}}வெப்பநிலை நிலைத்தன்மையையும், உயர்ந்த-வெப்பநிலை செயல்திறனையும் கொண்டுள்ளது. LiBF அதிக கடத்துத்திறன், பரந்த மின்வேதியியல் சாளரம் மற்றும் நல்ல வெப்ப நிலைத்தன்மை ஆகியவற்றைக் கொண்டுள்ளது. SEI படத்தின் உருவாக்கத்தில் அது நேரடியாகப் பங்குபெறும் என்பதால், அதன் மிகப்பெரிய நன்மை அதன் திரைப்பட-உருவாக்கும் பண்புகளில் உள்ளது.
கட்டமைப்பு ரீதியாக, LiDFOB ஆனது LiBOB மற்றும் LiBF இன் பாதி மூலக்கூறுகளால் ஆனது LiBOB உடன் ஒப்பிடும்போது, LiDFOB ஆனது நேரியல் கார்பனேட் கரைப்பான்களில் அதிக கரைதிறன் மற்றும் அதிக எலக்ட்ரோலைட் கடத்துத்திறனைக் கொண்டுள்ளது. அதன் உயர்-வெப்பநிலை மற்றும் குறைந்த-வெப்பநிலை செயல்திறன் LiPF4 ஐ விட சிறந்தது, மேலும் இது பேட்டரி கேத்தோடுடன் நல்ல பொருந்தக்கூடிய தன்மையைக் கொண்டுள்ளது, அலுமினியப் படலத்தின் மேற்பரப்பில் ஒரு செயலற்ற ஃபிலிமை உருவாக்குகிறது மற்றும் எலக்ட்ரோலைட் ஆக்சிஜனேற்றத்தைத் தடுக்கிறது.
LiTFSI கட்டமைப்பில் உள்ள CF₃SO₂ குழுக்கள் ஒரு வலுவான எலக்ட்ரான்{0}}திரும்பப் பெறுதல் விளைவைக் கொண்டிருக்கின்றன, இது எதிர்மறை மின்னூட்டத்தின் டீலோகலைசேஷனை அதிகப்படுத்துகிறது மற்றும் அயனி சங்கம் இணைவதைக் குறைக்கிறது, இதன் விளைவாக உப்பின் அதிக கரைதிறன் ஏற்படுகிறது. மேலும், LiTFSI அதிக மின் கடத்துத்திறன், அதிக வெப்ப சிதைவு வெப்பநிலை மற்றும் எளிதில் நீராற்பகுப்பு செய்யப்படவில்லை; இருப்பினும், இது 3.7V க்கு மேல் மின்னழுத்தத்தில் அலுமினிய மின்னோட்ட சேகரிப்பாளர்களை கடுமையாக சிதைக்கும்.
LiFSI மூலக்கூறில் உள்ள ஃவுளூரின் அணுக்கள் வலிமையான எலக்ட்ரான்-வைத்ராயிங் பண்புகளைக் கொண்டுள்ளன, இது N இல் எதிர்மறை மின்னூட்டத்தை நீக்குகிறது, இதன் விளைவாக பலவீனமான அயனி இணைப்பு மற்றும் Li+ எளிதில் விலகுகிறது, இதனால் அதிக கடத்துத்திறன் ஏற்படுகிறது.
LiPO2F2 நல்ல குறைந்த{2}}வெப்பநிலை செயல்திறனை வெளிப்படுத்துகிறது மற்றும் எலக்ட்ரோலைட்டின் உயர்-வெப்பநிலை செயல்திறனையும் மேம்படுத்துகிறது. ஒரு சேர்க்கையாக, இது எதிர்மறை மின்முனை மேற்பரப்பில் LixPOyFz மற்றும் LiF நிறைந்த SEI திரைப்படத்தை உருவாக்கலாம், இது பேட்டரி இடைமுக மின்மறுப்பைக் குறைக்கவும் பேட்டரி சுழற்சி செயல்திறனை மேம்படுத்தவும் உதவுகிறது. இருப்பினும், LiPO2F2 குறைந்த கரைதிறனாலும் பாதிக்கப்படுகிறது.
இன் முக்கிய கூறுதிரவ எலக்ட்ரோலைட்கரிம கரைப்பான் ஆகும், இது லித்தியம் உப்புகளை கரைத்து லித்தியம் அயனிகளுக்கு ஒரு கேரியரை வழங்குகிறது. லித்தியம்-அயன் பேட்டரி எலக்ட்ரோலைட்டுக்கான சிறந்த கரிம கரைப்பான் பின்வரும் நிபந்தனைகளை பூர்த்தி செய்ய வேண்டும்:
1) உயர் மின்கடத்தா மாறிலி மற்றும் லித்தியம் உப்புகளுக்கு வலுவான கரைக்கும் திறன்.
2) குறைந்த உருகுநிலை மற்றும் அதிக கொதிநிலை, பரந்த வெப்பநிலை வரம்பில் திரவ நிலையை பராமரித்தல்.
3) குறைந்த பாகுத்தன்மை, லித்தியம்-அயன் போக்குவரத்தை எளிதாக்குகிறது.
4) நல்ல இரசாயன நிலைத்தன்மை, நேர்மறை மற்றும் எதிர்மறை மின்முனை கட்டமைப்பை சேதப்படுத்தாது அல்லது நேர்மறை மற்றும் எதிர்மறை மின்முனை பொருட்களை கரைக்காது.
5) உயர் ஃபிளாஷ் பாயிண்ட், நல்ல பாதுகாப்பு, குறைந்த விலை,-நச்சுத்தன்மையற்ற மற்றும்-மாசுபடுத்தாதது.
லித்தியம்-அயன் பேட்டரி எலக்ட்ரோலைட்டுகளில் பயன்படுத்தப்படும் பொதுவான கரிம கரைப்பான்கள், படம் 7-6 இல் காட்டப்பட்டுள்ளபடி, கார்பனேட் கரைப்பான்கள் மற்றும் ஆர்கானிக் ஈதர் கரைப்பான்கள் எனப் பிரிக்கப்படுகின்றன. உயர்-செயல்திறன் கொண்ட லித்தியம்-அயன் பேட்டரி எலக்ட்ரோலைட்டைப் பெற, இரண்டு அல்லது அதற்கு மேற்பட்ட கரிம கரைப்பான்களைக் கொண்ட ஒரு கலப்பு கரைப்பான் பொதுவாகப் பயன்படுத்தப்படுகிறது. பொதுவான கார்பனேட் கரைப்பான்களின் இயற்பியல் பண்புகள் அட்டவணை 7-1 இல் காட்டப்பட்டுள்ளன.
அட்டவணை 7-1 பொதுவான கார்பனேட் கரைப்பான்களின் இயற்பியல் பண்புகள்
| ஆர்கானிக் கரைப்பான் | தொடர்புடைய மின்கடத்தா மாறிலி | உருகுநிலை / பட்டம் | கொதிநிலை / பட்டம் | பாகுத்தன்மை குணகம் |
|---|---|---|---|---|
| எத்திலீன் கார்பனேட் (EC) | 89.6 | 37 | 243 | 1.86 |
| புரோபிலீன் கார்பனேட் (பிசி) | 64.4 | -55 | 240 | 2.53 |
| டைமிதில் கார்பனேட் (டிஎம்சி) | 0.59 | 2 | 91 | 0.59 |
| டைதைல் கார்பனேட் (DEC) | 2.8 | -43 | 126 | 0.75 |
| எத்தில் மெத்தில் கார்பனேட் (EMC) | 3.0 | -53 | 108 | 0.65 |
ஆர்கானிக் ஈதர் கரைப்பான்களில் முக்கியமாக சங்கிலி ஈதர்களான 1,2-டைமெத்தாக்சிப்ரோபேன் (டிஎம்பி), டைமெத்தாக்சிமீத்தேன் (டிஎம்எம்), மற்றும் எத்திலீன் கிளைகோல் டைமெத்தில் ஈதர் (டிஎம்இ) மற்றும் டெட்ராஹைட்ரோஃப்யூரான் (THF) மற்றும் 2{200}ஹைட்ரைட்ரோஃபுரான் (THF)} 2{6}மீத்ரா போன்ற சுழற்சி ஈதர்கள் அடங்கும். சங்கிலி ஈதர் கரைப்பான்களுக்கு, நீண்ட கார்பன் சங்கிலி, சிறந்த இரசாயன நிலைத்தன்மை, ஆனால் அதிக பாகுத்தன்மை மற்றும் குறைந்த லித்தியம்-அயன் இடம்பெயர்வு விகிதம். எத்திலீன் கிளைகோல் டைமெத்தில் ஈதர் லித்தியம் ஹெக்ஸாபுளோரோபாஸ்பேட்டுடன் ஒப்பீட்டளவில் நிலையான செலேட்டை (LiPF6·DME) உருவாக்கலாம், இது லித்தியம் உப்புகளுக்கு வலுவான கரைக்கும் ஆற்றலை வெளிப்படுத்துகிறது மற்றும் அதிக எலக்ட்ரோலைட் கடத்துத்திறனை ஏற்படுத்துகிறது. இருப்பினும், DME மோசமான இரசாயன நிலைத்தன்மையைக் கொண்டுள்ளது மற்றும் எதிர்மறை மின்முனைப் பொருளின் மேற்பரப்பில் ஒரு நிலையான செயலற்ற படத்தை உருவாக்க முடியாது.
கார்பனேட் கரைப்பான்களில் புரோபிலீன் கார்பனேட் (பிசி) மற்றும் எத்திலீன் கார்பனேட் (ஈசி) போன்ற சுழற்சி கார்பனேட்டுகளும், டைமெத்தில் கார்பனேட் (டிஎம்சி), டைதைல் கார்பனேட் (டிஇசி) மற்றும் மெத்தில் எத்தில் கார்பனேட் (இஎம்சி) போன்ற சங்கிலி கார்பனேட்டுகளும் அடங்கும். சுழற்சி கார்பனேட்டுகள் அதிக மின்கடத்தா மாறிலியைக் கொண்டுள்ளன, இது லித்தியம் உப்புகளை மேலும் கரையக்கூடியதாக ஆக்குகிறது, ஆனால் அவை அதிக பாகுத்தன்மையையும் கொண்டிருக்கின்றன, இதன் விளைவாக லித்தியம்-அயன் இடம்பெயர்வு விகிதம் குறைகிறது. சங்கிலி கார்பனேட்டுகள் குறைந்த மின்கடத்தா மாறிலி மற்றும் பலவீனமான லித்தியம் உப்பு கரைதிறன், ஆனால் குறைந்த பாகுத்தன்மை மற்றும் நல்ல ஓட்டம், லித்தியம்-அயன் இடம்பெயர்வுக்கு உதவுகிறது.
லித்தியம்-அயன் எலக்ட்ரோலைட்டுகளுக்கான தீப்பிழம்பு{0}}தடுப்பு சேர்க்கைகளின் வகைகள் படம் 7-7 இல் காட்டப்பட்டுள்ளன. சிறிய அளவில் பயன்படுத்தப்படும் சேர்க்கைகள் குறிப்பிடத்தக்க விளைவுகளைக் கொண்டிருக்கின்றன மற்றும் லித்தியம்-அயன் பேட்டரிகளின் செயல்திறனை மேம்படுத்துவதற்கான சிக்கனமான மற்றும் நடைமுறை முறையாகும். லித்தியம் -அயன் பேட்டரிகளின் எலக்ட்ரோலைட்டில் ஒரு சிறிய அளவிலான சேர்க்கைகளைச் சேர்ப்பதன் மூலம், குறிப்பிட்ட பேட்டரி செயல்திறன் பண்புகளை மேம்படுத்தலாம், அதாவது மீளக்கூடிய திறன், எலக்ட்ரோடு/எலக்ட்ரோலைட் இணக்கத்தன்மை, சுழற்சி செயல்திறன், வீத செயல்திறன் மற்றும் பாதுகாப்பு செயல்திறன், லித்தியம்{8}}அயன் பேட்டரிகளில் முக்கிய பங்கு வகிக்கிறது. ஒரு சிறந்த லித்தியம்-அயன் பேட்டரி எலக்ட்ரோலைட் சேர்க்கை பின்வரும் நான்கு பண்புகளைக் கொண்டிருக்க வேண்டும்:
1) கரிம கரைப்பான்களில் அதிக கரைதிறன்.
2) ஒரு சிறிய அளவு ஒன்று அல்லது அதற்கு மேற்பட்ட செயல்திறன் பண்புகளை கணிசமாக மேம்படுத்தலாம்.
3) பேட்டரி செயல்திறனை பாதிக்கும் பிற பேட்டரி கூறுகளுடன் தீங்கு விளைவிக்கும் பக்க எதிர்வினைகள் இல்லை.
4) குறைந்த விலை,-நச்சுத்தன்மையற்ற அல்லது குறைந்த நச்சுத்தன்மை.
அவற்றின் செயல்பாட்டின் அடிப்படையில், சேர்க்கைகளை கடத்தும் சேர்க்கைகள், அதிக கட்டணம் செலுத்தும் பாதுகாப்பு சேர்க்கைகள், ஃப்ளேம் ரிடார்டன்ட் சேர்க்கைகள், SEI ஃபிலிம்{0}}உருவாக்கும் சேர்க்கைகள், கேத்தோடு பொருள் பாதுகாப்பாளர்கள், LiPF6 நிலைப்படுத்திகள் மற்றும் பிற செயல்பாட்டு சேர்க்கைகள் என வகைப்படுத்தலாம்.
மின்கடத்தா சேர்க்கைகள் எலக்ட்ரோலைட் அயனிகளுடன் ஒருங்கிணைப்பதன் மூலம் லித்தியம்-அயன் பேட்டரிகளின் வீத செயல்திறனை மேம்படுத்துகிறது, லித்தியம் உப்பு கரைப்பை மேம்படுத்துகிறது மற்றும் எலக்ட்ரோலைட் கடத்துத்திறனை அதிகரிக்கிறது. கடத்தும் சேர்க்கைகள் ஒருங்கிணைப்பு எதிர்வினைகள் மூலம் செயல்படுவதால், அவை லிகண்ட் சேர்க்கைகள் என்றும் அழைக்கப்படுகின்றன, மேலும் அவை ஊடாடும் அயனியின் அடிப்படையில் அயோனிக் லிகண்ட்கள், கேஷனிக் லிகண்ட்கள் மற்றும் நடுநிலை லிகண்ட்கள் என வகைப்படுத்தப்படுகின்றன.
ஓவர்சார்ஜ் பாதுகாப்பு சேர்க்கைகள் ஓவர்சார்ஜ் பாதுகாப்பை வழங்குகின்றன அல்லது ஓவர்சார்ஜ் சகிப்புத்தன்மையை மேம்படுத்துகின்றன. அவை செயல்பாட்டு ரீதியாக ரெடாக்ஸ் சேர்க்கைகள் மற்றும் மோனோமர் சேர்க்கைகள் என வகைப்படுத்தப்படுகின்றன. தற்போது, ரெடாக்ஸ் சேர்க்கைகள் முக்கியமாக அனிசோல் தொடர்களாகும், அவை அதிக ரெடாக்ஸ் திறன்கள் மற்றும் நல்ல கரைதிறன் கொண்டவை. மோனோமர் சேர்க்கைகள் உயர் மின்னழுத்தத்தின் கீழ் பாலிமரைசேஷன் வினைகளுக்கு உட்படுகின்றன, வாயுக்களை வெளியிடுகின்றன, மேலும் பாலிமர் கேத்தோடு பொருள் மேற்பரப்பை பூசுகிறது, சார்ஜிங் குறுக்கிடுகிறது. மோனோமர் சேர்க்கைகளில் முக்கியமாக சைலீன் மற்றும் ஃபைனில்சைக்ளோஹெக்ஸேன் போன்ற நறுமண கலவைகள் அடங்கும்.
எலக்ட்ரோலைட்டின் பற்றவைப்பு புள்ளியை உயர்த்துவதன் மூலம் அல்லது எரிப்பதைத் தடுக்கும் ஃப்ரீ ரேடிக்கல் சங்கிலி எதிர்வினையை நிறுத்துவதன் மூலம் ஃபிளேம் ரிடார்டன்ட் சேர்க்கைகள் செயல்படுகின்றன. அவற்றின் வகைகள் படம் 7-8 இல் காட்டப்பட்டுள்ளன. எலக்ட்ரோலைட்டின் எரியக்கூடிய தன்மையைக் குறைப்பதற்கும், லித்தியம்-அயன் பேட்டரிகளின் இயக்க வெப்பநிலை வரம்பை விரிவுபடுத்துவதற்கும், அவற்றின் செயல்திறனை மேம்படுத்துவதற்கும் சுடர் ரிடார்டன்ட்களைச் சேர்ப்பது முக்கியமான வழிகளில் ஒன்றாகும். சுடர் தடுப்பு சேர்க்கைகளின் செயல்பாட்டின் வழிமுறைகள் முக்கியமாக இரண்டு மடங்கு:
1) வாயு கட்டம் மற்றும் அமுக்கப்பட்ட கட்டம் இடையே ஒரு இன்சுலேடிங் லேயரை உருவாக்குவதன் மூலம், அவை அமுக்கப்பட்ட மற்றும் வாயு கட்டங்களில் எரிவதைத் தடுக்கின்றன.
2) எரிப்பு எதிர்வினை செயல்பாட்டின் போது அவை ஃப்ரீ ரேடிக்கல்களைப் பிடிக்கின்றன, வாயு கட்டங்களுக்கு இடையில் எரிப்பு எதிர்வினைகளைத் தடுக்கும் ஃப்ரீ ரேடிக்கல் சங்கிலி எதிர்வினையை நிறுத்துகின்றன.
