Che cosa significa l'elettrolito della batteria agli ioni di litio-?

◆Cosa sono gli elettroliti acquosi?

◆Introduzione agli elettroliti solidi

L'elettrolita, componente indispensabile delbatterie agli ioni di litio-, svolge un ruolo cruciale nei cicli di carica-scarica della batteria.

Non è solo responsabile del trasporto efficiente degli ioni di litio e della conduzione della corrente, ma possiede anche proprietà di isolamento elettronico per prevenire efficacemente il flusso diretto di elettroni tra gli elettrodi positivi e negativi. In senso figurato, l'elettrolita è come il "sangue" all'interno di una batteria agli ioni di litio-, garantendo la connettività tra i materiali dell'elettrodo positivo e negativo, garantendo così il regolare svolgimento dell'intero processo di carica{2}}scarica.

Un elettrolita ideale per una batteria agli ioni di litio- dovrebbe soddisfare i seguenti cinque requisiti:

Con la domanda sempre-crescente di densità di energia e densità di potenza delle batterie, la tecnologia delle batterie si sta sviluppando rapidamente e i materiali degli elettrodi hanno fatto enormi progressi. Al contrario, lo sviluppo dei sistemi elettrolitici è rimasto indietro. Attualmente, lo sviluppo degli elettroliti delle batterie agli ioni di litio- può essere classificato a grandi linee in tre tipi: elettroliti solventi non-acquosi, elettroliti acquosi ed elettroliti allo stato solido-.

Elettrolita solvente non-acquoso

 

Gli elettroliti solventi non acquosi nelle batterie agli ioni di litio- si riferiscono a sistemi elettrolitici che non contengono acqua, composti principalmente da solventi, soluti (solitamente sali di litio) e additivi. Questi solventi non-acquosi sono in genere solventi organici, anziché solventi acquosi, per evitare l'elettrolisi dell'acqua o reazioni avverse con i materiali degli elettrodi. I sali di litio sono i principali vettori per il trasporto degli ioni di litio-, i solventi fungono da dissoluzione, dispersione e supporto per i sali di litio e gli additivi funzionano principalmente per migliorare le prestazioni elettrochimiche o la sicurezza delle batterie agli ioni di litio-.

Gli elettroliti disponibili in commercio (ovvero, elettroliti liquidi) utilizzati nelle batterie agli ioni di litio- sono composti principalmente da uno o più sali di litio disciolti in due o più solventi organici; gli elettroliti composti da un unico solvente sono molto rari. Il motivo per cui si utilizzano più solventi è che le-batterie del mondo reale hanno requisiti diversi, addirittura contraddittori, difficili da soddisfare utilizzando un unico solvente. Ad esempio, gli elettroliti possono richiedere un'elevata fluidità pur avendo un'elevata costante dielettrica; pertanto, solventi con proprietà fisico-chimiche diverse vengono spesso utilizzati in combinazione, presentando contemporaneamente caratteristiche diverse. Inoltre, i sali di litio generalmente non vengono utilizzati contemporaneamente perché la selezione dei sali di litio è limitata e i loro vantaggi non sono facilmente evidenti.

I solventi organici ideali dovrebbero possedere le seguenti proprietà chiave: in primo luogo, necessitano di un'elevata costante dielettrica per garantire una buona dissoluzione dei sali di litio; in secondo luogo, dovrebbero avere un basso punto di fusione e un alto punto di ebollizione per ampliare l'intervallo di temperature operative dell'elettrolita; in terzo luogo, la bassa viscosità aiuta a promuovere un'efficiente migrazione degli ioni di litio nel mezzo; infine, questi solventi dovrebbero essere poco costosi e avere una bassa tossicità (idealmente non-tossici). I composti di carbonato, essendo uno dei primi e più diffusi solventi organici nel settore delle batterie agli ioni di litio-, occupano una posizione cruciale nel campo degli elettroliti delle batterie.

Attualmente questo tipo di solvente comprende principalmente due forme strutturali: ciclico e a catena. La tabella seguente riassume i parametri fisici rilevanti di diversi solventi non-acquosi, elettroliti e solventi organici comunemente utilizzati.

Attualmente, i solventi alchilcarbonati sono ampiamente utilizzati negli elettroliti. Questi solventi possiedono una buona resistenza all'ossidazione e mostrano un'eccellente stabilità in condizioni di alta tensione. I carbonati ciclici, come il carbonato di etilene e il carbonato di propilene, sono noti per le loro elevate costanti dielettriche, il che significa che possono dissolvere i sali di litio in modo più efficace; tuttavia, a causa delle forti forze intermolecolari, questi solventi hanno un'elevata viscosità, che rallenta il movimento degli ioni di litio al loro interno. Al contrario, i carbonati a catena, come il dimetil carbonato e il dietil carbonato, pur avendo una viscosità inferiore, hanno anche costanti dielettriche relativamente basse, con conseguente efficienza di dissoluzione relativamente scarsa per i sali di litio. Pertanto, per preparare sistemi di soluzioni con conduttività ionica superiore, vengono spesso miscelati diversi tipi di solventi, come le combinazioni PC+DEC o EC+DMC. I sali di litio, in quanto fonte di ioni di litio nell'elettrolito, svolgono un ruolo importante nel trasporto degli ioni di litio-durante il processo di carica e scarica delle batterie agli ioni di litio-. Le loro prestazioni influiscono direttamente su molti aspetti delle batterie agli ioni di litio-, tra cui densità di energia, densità di potenza, intervallo di tensione operativa, ciclo di vita e sicurezza. Attualmente, nella ricerca di laboratorio e nella pratica industriale, vengono generalmente selezionati sali di litio con ampi raggi anionici ed elevata stabilità redox. In base alla loro composizione chimica, i sali di litio possono essere ampiamente classificati in due categorie: sali di litio inorganici e sali di litio organici. Sono stati sviluppati diversi sali di litio inorganici, tra cui LiPF6, LiClO4, LIBF e LIASF. Al contrario, i sali di litio organici comunemente usati nelle batterie agli ioni di litio- sono formulati aggiungendo gruppi attrattori di elettroni- agli anioni di questi sali di litio inorganici, come litio diossalato-borato (LiBOB), litio difluoroossalato-borato ([iODFB]), litio difluorosulfonilimide (LiFSI) e litio ditrifluorometilsulfonilimide (LTFSI). La tabella seguente mostra le proprietà fisico-chimiche rilevanti di diversi sali di litio comunemente utilizzati nelle batterie agli ioni di litio-.

Gli additivi sono sostanze aggiunte all'elettrolita in basse concentrazioni (solitamente non superiori al 10% in massa) che hanno funzioni specifiche e possono migliorare significativamente le caratteristiche elettrochimiche della batteria. In base alle loro funzioni, questi additivi possono essere classificati in diverse categorie: additivi filmogeni, ritardanti di fiamma e additivi per prevenire il sovraccarico. Inoltre, sono presenti additivi utilizzati per migliorare la conduttività, ottimizzare le prestazioni in condizioni di bassa-temperatura o controllare le tracce e le concentrazioni di HF nella soluzione elettrolitica.