◆Zer dira elektrolito urtsuak?
Elektrolitoa, ezinbesteko osagaialitio{0}}ioizko bateriak, funtsezko zeregina du bateriaren karga-{0}}deskarga-zikloetan.
Litio ioien garraio eraginkorraren eta korrontearen eroapenaren arduraduna ez ezik, elektrodo positibo eta negatiboen arteko elektroi-fluxu zuzena eraginkortasunez saihesteko isolamendu elektronikoen propietateak ere baditu. Irudika esanda, elektrolitoa litio-ioizko bateria baten barruan dagoen "odola" bezalakoa da, elektrodo positiboen eta negatiboen materialen arteko konexioa bermatzen du, eta horrela karga-deskarga prozesu osoaren aurrerapen leuna bermatzen du.
Litio-ioizko bateria baterako elektrolito aproposa batek bost baldintza hauek bete behar ditu:
(1) High ionic conductivity (>10⁻3S/cm).
(2) Wide electrochemical window (>4,5 V vs Li+/Li).
(3) Elektrodoekin bateragarritasun ona, ahalik eta erresistentzia interfacial txikiena mantenduz.
(4) Egonkortasun termiko eta kimiko bikaina, bateriak tenperatura-tarte zabal batean seguru funtziona dezan.
(5) Kostu baxua, toxikotasun txikia eta ingurumena errespetatzen duena.
Baterien energia-dentsitatearen eta potentzia-dentsitatearen gero eta -eskari gero eta handiagoak direnez, bateriaren teknologia azkar garatzen ari da, eta elektrodoen materialek aurrerapen izugarriak egin dituzte. Aitzitik, elektrolito-sistemen garapena atzean geratu da. Gaur egun, litio-ioietako baterien elektrolitoen garapena hiru motatan sailka daiteke: disolbatzaile ez-urtsuko elektrolitoak, uretako elektrolitoak eta-egoera solidoko elektrolitoak.
Disolbatzaile ez-urosoko elektrolitoa
Litio-ioizko baterien -disolbatzaile urtsuak ez diren elektrolitoek-urik ez duten elektrolito-sistemak aipatzen dituzte, batez ere disolbatzaileek, solutuek (normalean litio-gatzak) eta gehigarriz osatuak. -Urtsu gabeko disolbatzaile hauek normalean disolbatzaile organikoak dira, disolbatzaile urtsuak baino, uraren elektrolisia edo elektrodoen materialen aurkako erreakzioak ekiditeko. Litio-gatzak litio-ioiaren garraiorako eramaile nagusiak dira, disolbatzaileek litio-gatzen disolbatze, barreiatze eta euskarri gisa balio dute, eta gehigarriek litio-ioietako baterien errendimendu elektrokimikoa edo segurtasuna hobetzeko funtzionatzen dute batez ere.
Litio -ioietako baterietan erabiltzen diren elektrolitoak (hau da, elektrolito likidoak) bi disolbatzaile organiko edo gehiagotan disolbatutako litio gatz batez edo gehiagoz osatuta daude batez ere; disolbatzaile bakar batez osatutako elektrolitoak oso arraroak dira. Disolbatzaile anitz erabiltzearen arrazoia mundu errealeko-baterek disolbatzaile bakarra erabiliz betetzeko zailak diren eskakizun desberdinak dituzte, kontraesankorrak ere bai. Esaterako, elektrolitoek jariakortasun handia behar dute, konstante dielektriko handia ere badute; horregatik, propietate fisikokimiko desberdinak dituzten disolbatzaileak konbinatuta erabili ohi dira, aldi berean ezaugarri desberdinak erakutsiz. Gainera, litio-gatzak, oro har, ez dira aldi berean erabiltzen, litio-gatzen aukeraketa mugatua delako eta haien abantailak ez direlako erraz nabaritzen.
Disolbatzaile organiko idealek funtsezko ezaugarri hauek izan behar dituzte: Lehenik eta behin, konstante dielektriko handia behar dute litio-gatzen disoluzio ona bermatzeko; bigarrenik, urtze-puntu baxua eta irakite-puntu altua izan behar dute elektrolitoaren funtzionamendu-tenperatura-tartea zabaltzeko; hirugarrenik, biskositate baxuak litio ioien migrazio eraginkorra sustatzen laguntzen du medioan; eta, azkenik, disolbatzaile hauek merkeak izan behar dute eta toxikotasun txikia izan behar dute (egokiena, ez-toxikoak). Karbonato-konposatuek, litio -ioietako baterien industrian disolbatzaile organikorik zaharrenetariko eta erabilienetako bat izanik, posizio erabakigarria hartzen dute bateriaren elektrolitoen arloan.
Gaur egun, disolbatzaile mota honek bi egitura-forma biltzen ditu batez ere: ziklikoa eta katea. Beheko taulak ohiko -uretako disolbatzaile, elektrolito eta disolbatzaile organiko batzuen parametro fisiko garrantzitsuak laburbiltzen ditu.
| Kategoria | Mota | Egitura | Urtze-puntua (gradua) | Irakite-puntua (gradua) | Banakako lurrun-presioa (25 gradu) | Dentsitate erlatiboa (25 gradu)/(mPa·s) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Etileno karbonatoa (EC) | Ziklikoa | 36.4 | 248 | 89,780 | 1.904 (40 gradu) | |
| Propileno karbonatoa (PC) | Ziklikoa | -48.4 | 242 | 64,920 | 2.53 | |
| Karbonatoak | Butileno karbonatoa (BC) | Ziklikoa | -54.0 | 240 | 53,000 | 3.20 |
| Dimetil karbonatoa (DMC) | Lineala | 4.6 | 91 | 3,107 | 0.59 | |
| Dietil karbonatoa (DEC) | Lineala | -74.3 | 126 | 2,805 | 0.75 | |
| Etil metil karbonatoa (EMC) | Lineala | -53.0 | 110 | 2,958 | 0.65 |
Gaur egun, alkil karbonatozko disolbatzaileak oso erabiliak dira elektrolitoetan. Disolbatzaile hauek oxidazio erresistentzia ona dute eta egonkortasun bikaina erakusten dute tentsio handiko baldintzetan. Karbonato ziklikoak, hala nola, etileno karbonatoa eta propileno karbonatoa, konstante dielektriko handiengatik ezagunak dira, hau da, litio-gatzak eraginkorrago disolba ditzakete; hala ere, molekulen arteko indar indartsuak direla eta, disolbatzaile hauek biskositate handia dute, eta horrek litio ioien mugimendua moteltzen du haien barruan. Aitzitik, kate karbonatoek, hala nola dimetil karbonatoa eta dietil karbonatoa, biskositate txikiagoa duten arren, konstante dielektriko nahiko baxuak ere dituzte, eta ondorioz litio-gatzen disoluzio-eraginkortasun nahiko eskasa da. Horregatik, eroankortasun ioniko handia duten disoluzio-sistemak prestatzeko, sarritan disolbatzaile mota desberdinak nahasten dira, hala nola PC+DEC edo EC+DMC konbinazioak. Litio-gatzak, elektrolitoko litio ioien iturri gisa, zeresan handia dute litio-ioien garraioan litio-ioietako baterien karga eta deskarga prozesuan. Haien errendimenduak zuzenean eragiten die litio-ioietako baterien hainbat alderdi, besteak beste, energia-dentsitateari, potentzia-dentsitateari, funtzionamendu-tentsio-tartea, ziklo-bizitza eta segurtasuna. Gaur egun, laborategiko ikerketan eta industria praktikan, erradio anioniko handiak eta redox egonkortasun handiko litio-gatzak aukeratzen dira normalean. Beren konposizio kimikoaren arabera, litio-gatzak bi kategoriatan sailka daitezke: litio-gatz ez-organikoak eta litio-gatz organikoak. Hainbat litio gatz inorganiko garatu dira, besteak beste, LiPF6, LiClO4, LIBF eta LIASF. Aitzitik, litio -ioietako baterietan normalean erabiltzen diren litio-gatz organikoak litio-gatz ez-organiko horien anioiei elektroiak-errauten diren taldeak gehituz formulatzen dira, hala nola litio dioxalato-boratoa (LiBOB), litio difluorooxalato{{20}ODlifluoroidroa{{20}ODlifluoroadio] (LiFSI) eta litio ditrifluorometilsulfonilimida (LTFSI). Beheko taulak litio-ioietako baterietan erabili ohi diren litio-gatz batzuen propietate fisikokimiko garrantzitsuak erakusten ditu.
| Kategoria | Litio Gatza | Pisu molekularra (g/mol) | Disolbagarria karbonatoetan? | Uretan disolbagarria? | Eroankortasun elektrikoa (1 mol/L, EC/DMC, 20 gradu) (mS/cm) |
|---|---|---|---|---|---|
| Litio-gatz ez-organikoak | LiPF₆ | 151.91 | Bai | Bai | 10.00 |
| LiBF₄ | 93.74 | Bai | Bai | 4.50 | |
| LiClO₄ | 106.40 | Bai | Bai | 9.00 | |
| Litio-gatz organikoak | LiTFSI | 287.08 | Bai | Bai | 6.18 |
| LiFSI | 187.07 | Bai | Bai | 10.40 | |
| LiBOB | 193.79 | Bai | Bai | 0.65 |
Gehigarriak elektrolitoari kontzentrazio baxuetan gehitzen zaizkion substantziak dira (masaren % 10 baino gehiago normalean), funtzio zehatzak dituztenak eta bateriaren ezaugarri elektrokimikoak nabarmen hobetu ditzaketenak. Funtzioen arabera, gehigarri hauek hainbat kategoriatan sailka daitezke: pelikulak-sortzen dituzten gehigarriak, suaren atzeratzaileak eta gainkargak saihesteko gehigarriak. Horrez gain, eroankortasuna hobetzeko, -tenperatura baxuko baldintzetan errendimendua optimizatzeko edo elektrolito-disoluzioan aztarnak eta HF-kontzentrazioa kontrolatzeko erabiltzen diren gehigarriak daude.