Kini Organic Electrolyte?

Electrolyte Organic jẹ ojutu ifọnọhan nibiti awọn agbo ogun eleto ṣe n ṣiṣẹ bi epo fun awọn iyọ tituka. Awọn elekitiroti wọnyi jẹ ki ion gbe gbigbe laarin awọn amọna ninu awọn batiri nipasẹ lilo erogba{1} awọn nkan ti o da lori erogba bi ethylene carbonate tabi dimethyl carbonate, dipo omi tabi awọn ohun elo eleto.

Ti o ba ti sọ lailai yanilenukini batiri litiumuṣe ti, awọn electrolyte joko ni okan ti awọn oniwe-iṣẹ. Awọn batiri lithium{1} ion dale lori awọn elekitiroti eleto lati da awọn ions lithium silẹ laarin cathode ati anode lakoko gbigba agbara ati awọn iyipo idasilẹ. Laisi alabọde olomi yii, batiri lasan kii yoo ṣiṣẹ.

Apilẹṣẹ aṣoju pẹlu iyọ lithium kan- lithium hexafluorophosphate ti o wọpọ julọ (LiPF₆){1}} ti a tu sinu apopọ awọn ohun alumọni Organic. Eyi ṣẹda ojutu kan pẹlu ionic conductivity giga ti o fun laaye awọn ions lithium ti o ni agbara daadaa lati gbe larọwọto lakoko ti o ṣe idiwọ sisan elekitironi, eyiti yoo fa awọn iyika kukuru.

Awọn batiri lithium ti owo -awọn batiri ion lo Organic dipo olomi (omi{1}}orisun) elekitiroti fun idi pataki kan: awọn nkan ti o nfo Organic duro ni iduroṣinṣin ni awọn foliteji ti o kọja 4.5 volts, lakoko ti omi n bajẹ ju 1.23 volts ni iwọn otutu yara. Anfani foliteji yii tumọ taara sinu awọn batiri iwuwo agbara giga.

Awọn akojọpọ ti awọn elekitiroti eleto yatọ da lori awọn ibeere ohun elo, ṣugbọn ọpọlọpọ awọn olomi jẹ gaba lori:

Awọn Carbonates Cyclic:

Ethylene carbonate (EC) n pese igbagbogbo dielectric giga ati solubility iyọ ti o dara julọ, botilẹjẹpe o lagbara ni iwọn otutu yara

Propylene carbonate (PC) si maa wa omi sugbon o le fa graphite exfoliation ni diẹ ninu awọn ohun elo anode

Vinylene carbonate (VC) nigbagbogbo han bi aropo lati mu iduroṣinṣin elekiturodu pọ si

Awọn Carbonates Laini:

Dimethyl carbonate (DMC) nfunni ni iki kekere fun gbigbe ion to dara julọ

Diethyl kaboneti (DEC) ṣe iwọntunwọnsi iṣesi ati ailewu

Ethyl methyl carbonate (EMC) daapọ awọn ohun-ini ti DMC mejeeji ati DEC

Pupọ julọ awọn agbekalẹ iṣowo ṣe idapọ awọn carbonates cyclic ati laini. Adalu boṣewa le ni 30% EC pẹlu 70% DEC, ṣiṣẹda omi kan pẹlu adaṣe giga mejeeji ati iki ti o yẹ. Litiumu agbaye{4}}ọja ohun elo batiri elekitiroti ion de $10.55 bilionu ni ọdun 2024 ati pe o jẹ iṣẹ akanṣe lati dagba si $28.12 bilionu nipasẹ 2034, ti n ṣe afihan pataki pataki ti awọn ohun elo wọnyi.

Ether{0}Awọn ohun elo ti o da lori:

1,2-dimethoxyethane (DME) pese iduroṣinṣin pẹlu awọn anodes irin litiumu

Tetrahydrofuran (THF) nfunni ni iki kekere

1,3-dioxolane ṣe ilọsiwaju ṣiṣe gigun kẹkẹ

Awọn oniwadi tun n ṣe iwadii awọn olomi ionic bi awọn omiiran ailewu. Awọn iyọ didà wọnyi jẹ olomi ni iwọn otutu yara ati pe o funni ni titẹ afẹfẹ odo, ti o jẹ ki wọn jẹ alailagbara. Bibẹẹkọ, iki wọn ti o ga julọ dinku iṣesi ionic ni akawe si awọn olomi Organic aṣa.

Awọn siseto sise ni qna sugbon yangan. Lakoko itusilẹ, awọn ions lithium ni itusilẹ anode sinu elekitiroti ki o jade lọ si cathode. Awọn elekitironi, ti ko le kọja nipasẹ elekitiroti, rin irin-ajo nipasẹ agbegbe ita - sisan elekitironi ni lọwọlọwọ itanna ti o mu awọn ẹrọ ṣiṣẹ.

Electrolyte gbọdọ ni itẹlọrun ọpọlọpọ awọn ibeere idije. O nilo iki kekere fun gbigbe ion yara, ibakan dielectric giga lati pin iyọ lithium kuro, window iduroṣinṣin elekitiroki jakejado lati ṣe idiwọ jijẹ, ati iduroṣinṣin kemikali pẹlu awọn amọna mejeeji. Wiwa awọn ohun elo ti o dọgbadọgba gbogbo awọn ohun-ini wọnyi jẹ nija.

Iṣẹlẹ pataki kan waye ni awọn aaye elekiturodu: dida ti interphase electrolyte to lagbara (SEI). Nigbati batiri ba kọkọ ṣaja, elekitiroti yoo bajẹ ni apa anode, ti o ṣẹda Layer aabo tinrin. SEI yii ngbanilaaye awọn ions litiumu lati kọja lakoko ti o dina awọn elekitironi ati idilọwọ ibajẹ elekitiroti siwaju sii. Didara ati iduroṣinṣin ti Layer yii ṣe pataki ni ipa igbesi aye batiri ati ailewu.

Organic Electrolyte

Yiyan laarin Organic ati awọn elekitiroti olomi jẹ pẹlu awọn iṣowo ipilẹ. Awọn ọna ṣiṣe olomi n funni ni iṣesi ionic ti o ga julọ- awọn moleku omi n gbe awọn ions lọ daradara siwaju sii ju awọn olomi Organic lọ. Wọn tun jẹ ailewu, din owo, ati rọrun lati mu nitori omi kii ṣe ina tabi majele.

Ṣugbọn ti 1.23- ferese iduroṣinṣin folti npa awọn ọna ṣiṣe olomi fun ọpọlọpọ awọn ohun elo. Awọn batiri Lithium-ion ṣiṣẹ laarin 3.7 ati 4.2 volts, daradara ju ohun ti omi le duro. Diẹ ninu awọn oniwadi ti ti awọn ọna ṣiṣe olomi si 2.0-2.5 volts nipa lilo awọn ojutu iyọ ti o ni idojukọ pupọ, ṣugbọn eyi rubọ anfani idiyele ati ṣafihan awọn iṣoro tuntun.

Electrolytes Organic jẹ gaba lori ọja kii ṣe nitori pe wọn jẹ pipe, ṣugbọn nitori pe wọn jẹ aṣayan ti o dara julọ ti o wa fun awọn ohun elo agbara giga-. Anfani iwuwo agbara ṣe pataki pupọ pupọ-o jẹ iyatọ laarin ọkọ ina mọnamọna pẹlu iwọn 100 maili dipo iwọn 300 maili.

Aṣiṣe pataki ti awọn elekitiroti eleto jẹ flammability. Awọn ohun elo carbonate n tan ni imurasilẹ, ati pe awọn ina batiri lithium{1} ion nmu ooru nla jade. Ilọkuro igbona{3} ni ibi ti ooru inu ti nmu awọn aati kẹmika ti o mu diẹ sii{4} le ja si ina tabi awọn bugbamu.

Awọn ilana pupọ koju ewu yii:

Ina - Awọn afikun Idaduro:Ṣafikun awọn agbo bi trimethyl fosifeti tabi awọn olomi fluorinated dinku flammability. Iwadi ti a tẹjade ni ọdun 2020 ṣe afihan EC{2}} awọn elekitiroliti ti ko ni ina ti o da lori lilo methyl(2,2,2{9}}trifluoroethyl) kaboneti. Awọn sẹẹli ti o lo agbekalẹ yii nṣiṣẹ fun awọn iyipo 100 ni idiyele 4.5V awọn ipo gige ti yoo fa awọn elekitiroti aṣa lati dinku.

Ri to-State Electrolytes:Rirọpo awọn elekitiroti olomi pẹlu awọn ohun elo ti o lagbara (polymers tabi awọn ohun elo amọ) imukuro flammability patapata. Bibẹẹkọ, awọn elekitiroti to lagbara koju awọn italaya: ionic conductivity kekere ni iwọn otutu yara, olubasọrọ ti ko dara pẹlu awọn amọna, ati brittleness. Imọ-ẹrọ ṣe afihan ileri ṣugbọn ko ti baamu iṣẹ ṣiṣe ti awọn eto omi.

Awọn elekitiroli ti o ga julọ{{0}Lilo awọn ifọkansi iyọ molar 3-5 dipo boṣewa 1 molar ṣe ayipada eto elekitiroti. Ninu awọn eto ifọkansi ti o ga, awọn ohun alumọni olomi diẹ wa ni aipin, idinku flammability ati imudara iduroṣinṣin. LiFSI (lithium bis (fluorosulfonyl) imide) ninu iru awọn atunto ti fihan ilọsiwaju ti o ni ilọsiwaju lakoko mimu iṣẹ ṣiṣe to dara.

Ọja elekitiroti n ni iriri imugboroosi iyara. Ọja elekitiroti batiri litiumu duro ni $5.8 bilionu ni ọdun 2025 ati pe o jẹ iṣẹ akanṣe lati de $18.3 bilionu nipasẹ ọdun 2035, ti n ṣafihan iwọn idagba ọdun lododun ti 12.2%. Idagba yii jẹ akọkọ lati isọdọmọ ọkọ ina mọnamọna ati akoj - imuṣiṣẹ ibi ipamọ agbara iwọn.

Asia Pacific jẹ gaba lori iṣelọpọ ati agbara, ṣiṣe iṣiro fun aijọju 35% ti ọja agbaye. Ilu China, ni pataki, ti kọ agbara iṣelọpọ elekitiroti nla lati ṣe atilẹyin ile-iṣẹ batiri inu ile rẹ. Awọn ile-iṣẹ bii Imọ-ẹrọ Ohun elo Guangzhou Tinci ati Imọ-ẹrọ Shenzhen Capchem ṣe itọsọna ipese agbaye.

Ẹka ọkọ ayọkẹlẹ n ṣafẹri ibeere- awọn ọkọ ina mọnamọna ni bayi njẹ awọn batiri diẹ sii ju ẹrọ itanna olumulo lọ, ipadasẹhin paapaa lati ọdun marun sẹyin. Gbogbo idii batiri EV ni ọpọlọpọ awọn liters ti elekitiroti, ati awọn tita EV agbaye ti kọja awọn iwọn miliọnu 14 ni ọdun 2023. Idojukọ adaṣe yii nfa iwadii si awọn elekitiroti iṣapeye fun igbesi aye gigun gigun ati iṣẹ otutu jakejado dipo iwuwo agbara ti o pọju.

Awọn itọnisọna iwadii aipẹ fihan ibi ti aaye naa nlọ. Agbegbe ti o ni ileri kan jẹ agbegbe ti o ga julọ-awọn elekitiroti ifọkansi (LHCE). Awọn ọna ṣiṣe wọnyi lo iye kekere ti epo olomi fluorinated gbowolori lati ṣẹda agbegbe agbegbe ti o ni idojukọ pupọ ni ayika iyo lithium, lẹhinna di dilute eyi pẹlu din owo, itusilẹ inert. Abajade ṣopọ awọn anfani ti awọn ọna ṣiṣe ifọkansi giga - pẹlu iye owo ti o ni oye diẹ sii ati iki.

Aṣa miiran jẹ pẹlu titọ Layer SEI nipasẹ awọn afikun elekitiroti. Awọn oye kekere (1-5%) ti awọn agbo ogun kan pato le ni ipa iyalẹnu kini awọn fọọmu ni dada elekiturodu. Kaboneti Vinylene, fun apẹẹrẹ, ni yiyan jẹjẹ ni pataki lati ṣẹda fiimu SEI iduroṣinṣin diẹ sii. Awọn oniwadi ni awọn ile-iṣẹ batiri oludari ni bayi ṣe iboju awọn ọgọọgọrun ti awọn afikun ti o pọju ni lilo kemistri iṣiro ṣaaju iṣakojọpọ awọn oludije ti o ni ileri julọ.

Gbogbo - riro{1} batiri ipinle jẹ aṣoju ilọkuro ti o ga julọ lati imọ-ẹrọ lọwọlọwọ. Toyota, Samsung, ati QuantumScape wa laarin awọn ile-iṣẹ ti n ṣe idoko-owo nla ni awọn elekitiroti to lagbara. Ti o ba ṣaṣeyọri, awọn ọna ṣiṣe wọnyi le funni ni iwuwo agbara 50% ti o ga ju awọn batiri lithium lọ lọwọlọwọ{5}} nigba ti imukuro eewu ina kuro. Sibẹsibẹ, awọn italaya imọ-ẹrọ ni ayika iduroṣinṣin wiwo ati iṣelọpọ ni iwọn ko wa ni ipinnu.

Aṣeyọri lithium ni awọn oniwadi ti nlo awọn ọna kanna si awọn batiri sodium{0}}. Sodium lọpọlọpọ ati din owo ju lithium, ṣiṣe awọn ọna ṣiṣe iṣuu soda{2}} wuni fun ibi ipamọ adaduro nibiti iwuwo ko ṣe pataki. Irohin ti o dara: ọpọlọpọ awọn elekitiroti Organic ti o dagbasoke fun awọn eto litiumu ṣiṣẹ ni deede pẹlu iṣuu soda.

Awọn italaya yatọ die-die. Awọn ions iṣuu soda tobi ju awọn ions litiumu lọ, ti o ni ipa awọn ohun-ini gbigbe ati iṣeto SEI. Electrolytes nilo atunṣe lati gba awọn iyatọ wọnyi. Ester -awọn ohun mimu ti o da lori (bii ethyl acetate tabi methyl propionate) nigba miiran ṣe dara julọ pẹlu iṣuu soda ju awọn kaboneti{4}} ti o da lori ṣe.

Awọn batiri iṣuu soda {{0} ion ti owo lati awọn ile-iṣẹ bii CATL ni bayi lo awọn elekitiroti eleto eleto ti o jọra si awọn ọna ṣiṣe lithium{1}}, ni deede sodium hexafluorophosphate (NaPF₆) ninu awọn akojọpọ carbonate. Imọ ọna ẹrọ naa ko ti baamu iṣẹ lithium{3} ion sibẹsibẹ, ṣugbọn fun awọn ohun elo bii ibi ipamọ oorun ibugbe, “dara to” ni iye owo kekere le jẹ “dara julọ.”

Organic electrolytes Ijakadi ni iwọn otutu awọn iwọn. Ni isalẹ -20 ìyí, iki n pọ si ati gbigbe lithium-ion fa fifalẹ lọpọlọpọ. Ju iwọn 60 lọ, awọn aati jijẹ yara yara ati igbesi aye batiri jiya.

Awọn elekitiroti ti o da lori Ether ni gbogbo igba mu tutu dara ju kaboneti{1} ti o da lori, botilẹjẹpe wọn rubọ iduroṣinṣin foliteji diẹ. Iwadii ti a gbejade ni ọdun 2024 ṣe afihan iṣuu soda{4}} awọn batiri irin ti n ṣiṣẹ ni iwọn -40 nipa lilo awọn elekitiroti ether ti a ṣe ni pẹkipẹki. Bọtini naa pẹlu iwọntunwọnsi igbekalẹ ojutu - bawo ni awọn moleku olomi ṣe ṣeto ni ayika awọn ions-lati ṣetọju arinbo ion paapaa nigba tutu.

Fun awọn ohun elo iwọn otutu giga{0}, awọn ethers fluorinated ati awọn esters fosifeti n funni ni iduroṣinṣin to dara julọ ju awọn carbonates boṣewa lọ. Ologun ati awọn ohun elo afẹfẹ nigbakan ṣe idalare idiyele ti o ga julọ ti awọn elekitiroti amọja wọnyi.

Electrolytes Organic farahan ni awọn kemistri batiri ti o kọja lithium{0}}ion. Awọn batiri Lithium{2}sulfur, eyiti o funni ni iwuwo agbara ti o ga pupọ, nilo awọn elekitiroti ti o ṣe idiwọ itusilẹ polysulfide. Awọn oniwadi ti ṣe agbekalẹ ether amọja {{4} awọn elekitiroti ti o da lori pẹlu awọn afikun bi lithium nitrate lati koju eyi.

Awọn batiri ṣiṣan Organic lo awọn agbo-ara Organic tituka bi ohun elo ti nṣiṣe lọwọ kuku ju awọn amọna ti o lagbara. Awọn ọna ṣiṣe wọnyi kaakiri elekitiroti nipasẹ batiri naa, gbigba agbara agbara lati ṣe iwọn ni ominira lati iṣelọpọ agbara. Quinones, viologens, ati awọn itọsẹ TEMPO tituka ninu awọn elekitiroti olomi tabi Organic ṣe afihan ileri fun akoj - ibi ipamọ iwọn.

Zinc{0}}Batiri afẹ́fẹ́ máa ń lo ẹ̀rọ amọ̀nàmọ́ra nígbà míràn láti dènà dídásílẹ̀ dendrite zinc. Awọn batiri magnẹsia - si tun wa ninu awọn ipele iwadii{3}} nilo awọn elekitiroli amọja nitori iṣu magnẹsia ko ṣe fẹlẹfẹlẹ kan ti o kọja bi lithium.

Organic Electrolyte

Omi decomposes nipasẹ electrolysis ni awọn foliteji loke 1.23V, producing hydrogen ati atẹgun ategun. Awọn batiri Lithium{2} ion nṣiṣẹ ni 3.7-4.2V, daradara kọja iwọn iduroṣinṣin omi. Awọn olomi Organic jẹ iduroṣinṣin ni awọn foliteji giga wọnyi, gbigba ibi ipamọ agbara nla fun iwuwo ẹyọkan.

Pupọ julọ awọn olomi-ara ti a lo ninu awọn batiri -carbonates, ethers, esters{1} ni erogba ninu{2}}awọn asopọ hydrogen ti o ni imurasilẹ oxidize ni wiwa atẹgun ati ooru. Nigbati batiri ba wọ inu igbona igbona, awọn iwọn otutu inu le kọja iwọn 150, ni aaye wo ni awọn olomi wọnyi n tan. Iwaju awọn iyọ litiumu ati awọn ohun elo elekiturodu ifaseyin mu ijona yara yara ni kete ti bẹrẹ.

Idibajẹ elekitiroti ṣe opin igbesi aye batiri si aijọju 1000{4}2000 awọn iyipo idiyele ni awọn ohun elo olumulo, tabi ọdun 8-10 ninu awọn ọkọ ayọkẹlẹ ina. Awọn aati jijẹ waye lemọlemọ ni awọn aaye elekiturodu, jijẹ elekitiroti ati ṣiṣe awọn fẹlẹfẹlẹ idabobo. Iwọn otutu, awọn oṣuwọn gbigba agbara, ati awọn sakani foliteji gbogbo wọn ni ipa lori iyara ibajẹ-ilọra-lilo fa igbesi aye.

Awọn ilana atunlo lọwọlọwọ ni idojukọ akọkọ lori gbigbapada awọn irin ti o niyelori bii litiumu, kobalt, ati nickel lati awọn amọna. Electrolyte ojo melo olubwon sun ni pipa tabi kemikali run nigba hydrometallurgical atunlo. Diẹ ninu awọn isunmọ tuntun n gbiyanju lati gba pada ati sọ awọn paati elekitiroti di mimọ, ṣugbọn eyi ko tii di idije ti ọrọ-aje pẹlu iṣelọpọ elekitiroli tuntun lati awọn ifunni epo.

Electrolyte Organic ṣe aṣoju ọkan ninu awọn imọ-ẹrọ wọnyẹn ti o ṣiṣẹ daradara to pe awọn omiiran n tiraka lati yipo pada, paapaa pẹlu awọn idiwọn ti a mọ. Awọn ọna ṣiṣe ipinlẹ ti o lagbara ṣe ileri aabo to dara julọ, ati awọn ọna ṣiṣe olomi nfunni ni idiyele kekere, ṣugbọn awọn elekitiroti olomi Organic lọwọlọwọ n pese iwọntunwọnsi ti o dara julọ ti iṣẹ ṣiṣe, iwuwo agbara, ati iṣelọpọ. Fun ọjọ iwaju ti a ṣe akiyesi, gbogbo batiri lithium{3} ion ti n ṣe agbara awọn foonu, kọǹpútà alágbèéká, ati awọn ọkọ ayọkẹlẹ wa yoo ni ọpọlọpọ awọn milimita ti erogba wọnyi{4}} awọn olutọpa ionic ti o dakẹ ti n ṣiṣẹ idakẹjẹ, iṣẹ pataki.