Was sind die Elektrolytmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien?

Lithium-Ionen-Batterien verwenden Elektrolytmaterialien, die die Bewegung von Lithiumionen zwischen den positiven und negativen Elektroden während der elektrochemischen Reaktionen ermöglichen, die beim Laden und Entladen stattfinden. Der Elektrolyt ist ein wichtiger Bestandteil der Batterie, da er eine Schlüsselrolle für die Gesamtleistung und Sicherheit des Systems spielt. Hier sind einige gängige Elektrolytmaterialien, die in Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden:

Lithiumsalze

Die am häufigsten im Elektrolyten verwendeten Lithiumsalze sind Lithiumhexafluorphosphat (LiPF6), Lithiumperchlorat (LiClO4), Lithiumtetrafluorborat (LiBF4), Lithiumhexafluorarsenat (LiAsF6) und Lithium-bis(trifluormethansulfonyl)imid (LiTFSI). Diese Salze dissoziieren im Elektrolyten und setzen Lithiumionen frei.

Lösungsmittel

Der Elektrolyt besteht typischerweise aus einer Mischung organischer Lösungsmittel, die eine Kombination aus Ethylencarbonat (EC), Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC), Ethylmethylcarbonat (EMC) und Propylencarbonat (PC) umfassen kann. Diese Lösungsmittel helfen, das Lithiumsalz aufzulösen und erleichtern die Bewegung von Lithiumionen.

Additive

Zur Verbesserung der Leistung, Stabilität und Sicherheit können dem Elektrolyten verschiedene Zusatzstoffe beigefügt werden. Beispielsweise können Elektrolytzusätze wie Fluorethylencarbonat (FEC) und Vinylencarbonat (VC) die Stabilität der Festelektrolytschnittstelle (SEI) verbessern und die Zyklenlebensdauer der Batterie verlängern.

3,2 V 20 A Niedertemperatur-LiFePO4-Batteriezelle -40 ℃ 3 C Entladekapazität ≥ 70 % Ladetemperatur: -20 ~ 45 ℃ Entladetemperatur : -40 ~ + 55 ℃ Akupunkturtest bestehen -40 ℃ maximale Entladerate: 3 C

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Polymerelektrolyte

Einige fortschrittliche Lithium-Ionen-Batterien verwenden Polymerelektrolyte anstelle von Flüssigelektrolyten. Polyethylenoxid (PEO) ist ein in diesem Zusammenhang häufig verwendetes Polymer.

Ionische Flüssigkeiten

In bestimmten Anwendungen können ionische Flüssigkeiten als Alternative zu herkömmlichen organischen Lösungsmitteln verwendet werden. Ionische Flüssigkeiten sind Salze, die bei relativ niedrigen Temperaturen in flüssigem Zustand vorliegen und eine erhöhte Sicherheit und Stabilität bieten können.

Die spezifische Kombination dieser Materialien hängt vom Design und der Anwendung der Lithium-Ionen-Batterie sowie von Überlegungen zu Sicherheit, Kosten und Leistung ab. Forscher erforschen kontinuierlich neue Elektrolytmaterialien und -formulierungen, um die Effizienz, Sicherheit und Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien zu verbessern.

Organischer Elektrolyt

Organische Elektrolyte sind wesentliche Bestandteile in Lithium-Ionen-Batterien und erleichtern die Bewegung von Lithiumionen zwischen der positiven und negativen Elektrode beim Laden und Entladen. Die Zusammensetzung des organischen Elektrolyten besteht aus Lithiumsalzen, die in einer Mischung organischer Lösungsmittel gelöst sind. Hier sind einige häufige Komponenten, die in organischen Elektrolyten für Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden:

Lithiumsalz

Lithiumhexafluorphosphat (LiPF6) Dies ist eines der am häufigsten verwendeten Lithiumsalze in organischen Elektrolyten für Lithium-Ionen-Batterien.

Hohe Energiedichte bei niedriger Temperatur Robuster Laptop-Polymer-Akku Batteriespezifikation: 11,1 V 7800 mAh -40℃ 0,2C Entladekapazität ≥80% Staubdicht, sturzsicher, korrosionsbeständig, elektromagnetische Interferenz

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Lithiumperchlorat (LiClO4) Eine weitere Lithiumsalzoption, die im Elektrolyten verwendet werden kann.

Organische Lösungsmittel:

Ethylencarbonat (EC) EC ist ein häufiges Lösungsmittel in Lithium-Ionen-Batterieelektrolyten. Es erhöht die Leitfähigkeit und Stabilität des Elektrolyten.

Dimethylcarbonat (DMC) DMC wird oft als Co-Lösungsmittel mit EC verwendet, um die Leistung bei niedrigen Temperaturen zu verbessern.

Diethylcarbonat (DEC) DEC ist ein weiteres Lösungsmittel, das zum gesamten Lösungsmittelgemisch im Elektrolyten beitragen kann.

Ethylmethylcarbonat (EMC) EMC ist bekannt für seine positiven Auswirkungen auf das Tieftemperaturverhalten im Elektrolyten.

Propylencarbonat (PC) PC wird oft in die Lösungsmittelmischung eingearbeitet, um die Hochtemperaturstabilität zu verbessern.

Additive:

Fluorethylencarbonat (FEC) FEC ist ein Elektrolytzusatz, der die Stabilität der Festelektrolyt-Grenzfläche (SEI) an den Elektroden verbessert und so zu einer besseren Batterieleistung beiträgt.

Vinylencarbonat (VC) VC ist ein weiterer Zusatzstoff, der zur Verbesserung des SEI und der Zyklenleistung von Lithium-Ionen-Batterien verwendet wird.

Darüber hinaus werden derzeit Anstrengungen unternommen, alternative Elektrolytsysteme, einschließlich Festkörperelektrolyten, zu entwickeln, um bestimmte Herausforderungen zu bewältigen, die mit herkömmlichen Flüssigelektrolyten verbunden sind.

Fester Elektrolyt

Festelektrolyte sind eine vielversprechende Alternative zu flüssigen Elektrolyten in Lithium-Ionen-Batterien und bieten potenzielle Vorteile wie erhöhte Sicherheit, höhere Energiedichte und verbesserte Stabilität. Verschiedene Arten von Festelektrolyten werden derzeit für ihre Anwendung in Lithium-Ionen-Batterien untersucht.

Keramische Festelektrolyte:

Lithiumphosphate (LiPON) Lithiumphosphoroxynitrid (LiPON) ist ein dünnschichtiger Festelektrolyt, der auf seinen potenziellen Einsatz in Lithium-Ionen-Batterien untersucht wurde. Es handelt sich um ein Lithium-leitendes Keramikmaterial.

Li7La3Zr2O12 (LLZO) LLZO ist ein keramischer Festelektrolyt vom Granattyp, der eine hohe Lithiumionenleitfähigkeit und gute Stabilität aufweist.

Li3xLa2/3-xTiO3 (LATP) Lithiumaluminiumtitanphosphat (LATP) ist ein weiteres Keramikmaterial, das als Festelektrolyt für Lithium-Ionen-Batterien untersucht wurde.

Polymer-Festelektrolyte:

Polyethylenoxid (PEO) PEO ist ein Polymer, das als Festelektrolyt in Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden kann. Es wird häufig mit Lithiumsalzen kombiniert, um die Leitfähigkeit von Lithiumionen zu verbessern.

Forscher an Polymermischungen erforschen verschiedene Polymermischungen und Verbundmaterialien, um die mechanische Festigkeit, Flexibilität und Gesamtleistung von Polymerelektrolyten zu verbessern.

Feste Glaselektrolyte

Li2S-P2S5-System Bestimmte glasartige Materialien, wie die im Li2S-P2S5-System, haben sich aufgrund ihrer hohen Lithiumionenleitfähigkeit als vielversprechende Festelektrolyte erwiesen.

Li7P3S11Dies ist ein glaskeramischer Festelektrolyt, der eine gute Lithium-Ionen-Leitfähigkeit und Stabilität gezeigt hat.

Zusammengesetzte feste Elektrolyte:

Verbundwerkstoffforscher arbeiten an Verbundfestelektrolytmaterialien, die verschiedene Arten von Festelektrolyten kombinieren oder Festelektrolyte mit anderen Materialien integrieren, um ein Gleichgewicht der Eigenschaften zu erreichen.

Festkörperelektrolyte bieten das Potenzial für mehr Sicherheit, da sie den brennbaren flüssigen Elektrolyten eliminieren, der in herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien vorhanden ist. Es bestehen jedoch weiterhin Herausforderungen wie die Komplexität der Herstellung, die Kosten und die Notwendigkeit weiterer Verbesserungen der Leitfähigkeit und Stabilität. Die laufende Forschung konzentriert sich darauf, diese Herausforderungen anzugehen und Festkörper-Lithium-Ionen-Batterien der kommerziellen Machbarkeit näher zu bringen.

Leitfähiges Mittel

In Lithium-Ionen-Batterien werden den Elektrodenmaterialien Leitmittel zugesetzt, um deren elektrische Leitfähigkeit zu verbessern. In Lithium-Ionen-Batterien werden hauptsächlich zwei Arten von Leitmitteln verwendet: Materialien auf Kohlenstoffbasis und metallische Leitzusätze.

Leitfähige Mittel auf Kohlenstoffbasis:

Carbon Black Carbon Black ist ein gängiger leitfähiger Zusatzstoff, der sowohl in den Kathoden- als auch in den Anodenmaterialien von Lithium-Ionen-Batterien verwendet wird. Es handelt sich um eine Form von fein verteiltem Kohlenstoff, der die elektrische Leitfähigkeit verbessert und für strukturelle Unterstützung sorgt.

Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) CNTs sind zylindrische Strukturen aus Kohlenstoffatomen und verfügen über eine hervorragende elektrische Leitfähigkeit. Durch den Einbau in Elektrodenmaterialien können CNTs die Gesamtleitfähigkeit der Elektroden verbessern.

Metallisch leitfähige Additive:

Aluminium- und Kupferpulver Metallpulver wie Aluminium und Kupfer können Elektrodenformulierungen zugesetzt werden, um die elektrische Leitfähigkeit zu verbessern. Sie werden häufig in Kombination mit kohlenstoffbasierten Materialien verwendet.

Metallische Nanopartikel Nanoskalige Metallpartikel wie Nickel- oder Silbernanopartikel können in Elektrodenmaterialien eingearbeitet werden, um die Leitfähigkeit zu verbessern.

Es ist erwähnenswert, dass die richtige Auswahl und Optimierung leitfähiger Wirkstoffe entscheidend für die Erzielung einer optimalen Batterieleistung ist, einschließlich hoher Energie- und Leistungsdichte, guter Zyklenstabilität und Gesamteffizienz.