Каков состав и роль электролита в литиевых батареях?

Литиевые батареи лежат в основе современной портативной электроники, электромобилей и систем хранения энергии. Одним из ключевых компонентов, обеспечивающих эффективную работу этих батарей, является электролит. Действуя как «кровь» аккумулятора, электролит облегчает движение ионов лития между положительными и отрицательными электродами, обеспечивая процесс зарядки и разрядки. В этой статье мы рассмотрим состав электролитов литиевых батарей, их жизненно важную роль и то, чем они отличаются от электролитов, используемых в других типах батарей, таких как никель-металлогидридные и литий-полимерные батареи.

Что такое электролит литиевой батареи?

Электролит литиевой батареи — это проводящая среда, расположенная между положительные и отрицательные электроды. Во время зарядки и разрядки электролит действует как проводник для ионов лития, ответственный за передачу ионов лития между положительным и отрицательным электродами. Проще говоря, электролит литиевой батареи подобен «крови» батареи. Он создает мост между положительным и отрицательным электродами, позволяя ионам лития плавно «плавать» по ним, обеспечивая процессы зарядки и разрядки аккумулятора.

 

 

Состав электролита литиевой батареи

Электролит в основном состоит из трех частей:

1. Растворитель: Обычно используются карбонатные соединения, такие как этиленкарбонат (ЭК), диэтилкарбонат (ДЭК) и этилметилкарбонат (ЭМС). Эти растворители обеспечивают хорошую проводимость и химическую стабильность. Они позволяют соли лития растворяться, создавая комфортную «среду для плавания» ионов лития.

2. Литиевая соль: Это «соль» в электролите, наиболее распространенным из которых является гексафторфосфат лития (LiPF6). Его роль состоит в том, чтобы обеспечить большое количество ионов лития, позволяя этим ионам перемещаться вперед и назад между положительными и отрицательными электродами, завершая перенос заряда.

3. Добавки: Для повышения производительности и безопасности аккумулятора в электролит добавляются некоторые добавки. Эти добавки могут способствовать образованию пленки на границе раздела с твердым электролитом (SEI), которая действует как защитный барьер на краю бассейна, защищая ионы лития во время плавания и уменьшая ненужные химические реакции, тем самым продлевая срок службы батареи.

Функции электролита литиевой батареи

Электролит в литиевой батарее выполняет две ключевые функции:

1. Проводимость: Электролит служит ионным проводником внутри батареи. Во время зарядки ионы лития извлекаются из материала положительного электрода, перемещаются через электролит к отрицательному электроду и внедряются там. И наоборот, во время разрядки ионы лития извлекаются из материала отрицательного электрода, перемещаются через электролит к положительному электроду и внедряются там. Этот процесс подобен путешествию туда и обратно ионов лития по «шоссе» электролита, позволяя батарее накапливать и выделять электрическую энергию.

2. Стабильность: Электролит помогает поддерживать стабильность химических реакций внутри аккумулятора, предотвращая перегрев, короткие замыкания и другие потенциальные опасности. Например, электролит способствует образованию пленки на границе твердого электролита (SEI), которая покрывает поверхность отрицательного электрода, предотвращая прямую реакцию электролита с металлическим литием, тем самым уменьшая побочные реакции и увеличивая срок службы и безопасность аккумулятора. Кроме того, состав и свойства электролита могут влиять на термическую стабильность аккумулятора, что позволяет избежать опасных ситуаций при высоких температурах или в условиях перезарядки.

Таким образом, электролит является не только средой для передачи литий-ионов, но и ключевым фактором обеспечения стабильности и безопасности внутренней среды аккумулятора. Он играет незаменимую роль в аккумуляторе, обеспечивая его нормальную работу и высокую производительность.

 

Различия между электролитами в никель-металлогидридных и литиевых батареях

1. Электролитный состав

   • Электролит литиевой батареи: Обычно состоит из органических растворителей, солей лития (таких как LiPF6, LiBF4) и некоторых добавок. Соль лития здесь играет главную роль: она растворяется в органическом растворителе, высвобождает ионы лития и выполняет задачу зарядки и разрядки, перемещаясь между положительным и отрицательным электродами батареи.
   • Электролит никель-металлогидридного аккумулятора: Обычно состоит из гидроксида калия, гидроксида лития и добавок. Главными действующими лицами здесь являются ионы водорода и ионы гидроксида, непрерывно растворяющиеся и выпадающие в осадок в процессе зарядки и разрядки аккумулятора. В отличие от литиевых батарей, ионы в электролите никель-металлогидридных батарей крупнее, движутся медленнее и приводят к более медленной скорости разряда.

2. Рабочая температура и стабильность

   • Электролит литиевой батареи: Обладает более высокой проводимостью и способностью адаптироваться к изменениям температуры, способен работать в широком температурном диапазоне, что делает его пригодным для применения в мобильных устройствах и электромобилях. Однако химическая природа электролита литиевой батареи более активна, что создает опасность взрыва и возгорания, требуя строгого контроля температуры и тока во время использования.
   • Электролит никель-металлогидридного аккумулятора: Его химическая природа относительно стабильна, что делает его более безопасным и менее склонным к взрыву и возгоранию. Однако он чувствителен к влажности окружающей среды, избыток влаги может повлиять на срок службы и производительность аккумулятора. Поэтому его необходимо хранить в сухом месте, чтобы избежать образования газообразного водорода, сокращения срока службы батареи и снижения производительности.

 

Различия между электролитами в Литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы

Хотя основные компоненты электролитов в литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторах схожи, как на основе органических растворителей, так и солей лития, их физические формы и технологии упаковки различаются. Электролиты традиционных литий-ионных аккумуляторов являются жидкими, тогда как электролит литий-полимерных аккумуляторов зафиксирован в полимерной матрице, образуя гелеобразный полутвердый электролит. В литий-ионных батареях обычно используется стальной или алюминиевый корпус, а в литий-полимерных батареях используется более тонкий мягкий корпус, что позволяет создавать более тонкие, легкие и гибкие батареи, подходящие для применений, где пространство ограничено или требуются нестандартные формы. .