Применение добавок к электролитам в производстве литиевых батарей

I. Основные понятия о добавках к электролитам

Под добавками к электролиту подразумеваются небольшие количества добавок для улучшения его электрохимических свойств и качества катодного осаждения. Электролитные добавки представляют собой некоторые природные или искусственно синтезированные органические или неорганические соединения. Они обычно не участвуют в электродных реакциях электролитического процесса, но могут изменять электрохимические свойства электролитной системы и влиять на условия разряда ионов, улучшая электролитический процесс. Внося небольшое количество добавок в электролит литий-ионных аккумуляторов, можно целенаправленно улучшить некоторые свойства аккумуляторов, такие как обратимая емкость, совместимость электрода и электролита, циклическая производительность, скоростная способность и безопасность и т. д. Они играют очень важную роль в литий-ионных батареях. Количество присадок к электролиту обычно очень мало, но они являются незаменимыми частями электролитной системы.

II. Классификация добавок к электролитам

В зависимости от их различных функций присадки к электролитам можно разделить на пленкообразующие присадки, огнезащитные присадки, присадки для защиты от перезаряда, присадки для высоких/низких температур и т. д.

1. Пленкообразующие добавки

Роль пленкообразующих добавок заключается в содействии образованию стабильной и эффективной пленки SEI на поверхности материала электрода. Пленка SEI представляет собой пассивирующую пленку, образующуюся во время начального цикла работы литий-ионных аккумуляторов, отделяющую электролит от углеродного материала/литиевого отрицательного электрода. При определенном потенциале молекулы органического растворителя, анионы солей лития, примеси и добавки на отрицательном электроде/электролите будут подвергаться восстановительному разложению с образованием нерастворимых веществ, осаждающихся на поверхности электрода. Свойства пленки SEI сильно влияют на электрохимические свойства литий-ионных аккумуляторов, такие как начальная необратимая потеря емкости, пропускная способность и срок службы. Идеальная SEI-пленка является электроизоляционной, обеспечивая при этом свободный вход и выход ионов лития из электрода, может предотвратить дальнейшую реакцию между материалом электрода и электролитом и обладает структурной стабильностью, не растворяясь в органических растворителях.

2. Огнезащитные добавки

Роль антипиреновых добавок заключается в повышении температуры вспышки электролита или прекращении свободнорадикальных цепных реакций для предотвращения горения. Добавление антипиренов — один из важных способов снижения горючести электролита, расширения диапазона рабочих температур литиевых аккумуляторов и улучшения их характеристик.

Механизм действия огнезащитных добавок в основном имеет два типа: один заключается в создании изолирующего слоя между паровой фазой и конденсированной фазой для предотвращения сгорания между конденсированной фазой и паровой фазой; другой - улавливать свободные радикалы в процессе реакции горения, чтобы остановить цепную реакцию свободных радикалов и предотвратить реакции горения между паровыми фазами. Вещества, в основном используемые для замедления горения в литий-ионных батареях, в настоящее время включают органофосфаты, органические галогениды и фосфонитрилы.

3. Присадки для защиты от перезаряда

Основная функция добавок для защиты от перезаряда — определенным образом блокировать ток при перезарядке аккумулятора, тем самым повышая безопасность аккумулятора.

Присадки для перезаряда обладают хорошей растворимостью и быстрой скоростью диффузии и могут обеспечить защиту в широком диапазоне высоких токов. Они обладают хорошей стабильностью в диапазоне рабочих температур аккумулятора и имеют соответствующий окислительный потенциал между напряжением отключения зарядки и окислительным потенциалом электролита. Кроме того, их продукты окисления не имеют других побочных реакций в процессе восстановления, не расходуются при зарядке и не оказывают побочных эффектов на работу аккумуляторов.

4. Высоко/низкотемпературные добавки

Высоко/низкотемпературные добавки к электролиту представляют собой химические вещества, используемые для улучшения характеристик электролита в условиях высоких и низких температур. Их роль заключается в повышении производительности, стабильности и срока службы батареи. При высоких температурах электролит может испаряться, разлагаться и ускорять внутренние реакции. Таким образом, высокотемпературные добавки могут снизить скорость испарения электролита, повысить термическую стабильность и уменьшить побочные реакции. В то время как при низких температурах ионная проводимость электролита может снижаться, влияя на работоспособность аккумулятора. Таким образом, низкотемпературные добавки могут улучшить низкотемпературную ионную проводимость электролита и повысить выходную мощность и производительность при циклическом использовании.

5. Другие добавки

Существуют добавки с особыми требованиями, такие как водоотталкивающие или HF-добавки, усилители смачивания, проводящие добавки и т. д.

III. Будущие направления развития добавок к электролитам

Разработка добавок к электролитам в аккумуляторной технологии всегда была активным направлением исследований. При постоянном повышении требований к характеристикам аккумуляторов добавки к электролитам в будущем могут развиваться по следующим направлениям:

1. Устойчивость к высоким температурам : с быстрым развитием электромобилей и возобновляемых источников энергии требования к стабильности аккумуляторов в условиях высоких температур становятся все выше. Будущие добавки к электролиту могут быть направлены на улучшение термической стабильности электролита, ингибирование реакций разложения и испарения электролита, тем самым продлевая срок службы аккумуляторов.

2. Безопасность и долговечность : Безопасность аккумуляторов всегда была важной задачей. Будущие добавки к электролитам могут быть направлены на повышение безопасности аккумуляторов, например, путем внесения добавок, которые могут поглощать и затвердевать жидкости, чтобы снизить риск протечки аккумулятора или короткого замыкания. Кроме того, долговечность также является критическим фактором, и будущие добавки могут продлить срок службы батареи и сохранить ее емкость.

3. Работа при низких температурах: В очень холодных условиях производительность аккумулятора обычно ограничена. Будущие добавки к электролитам могут быть направлены на улучшение выходной мощности аккумулятора и характеристик езды на велосипеде в условиях низких температур, чтобы удовлетворить потребности электромобилей и портативных электронных устройств в холодных регионах.

4. Экологичность: В целях устойчивого развития будущие добавки к электролитам могут иметь тенденцию к более экологически безопасному выбору. Это включает в себя использование возобновляемых материалов, снижение или устранение зависимости от токсичных веществ, а также улучшение разлагаемости добавок для снижения их воздействия на окружающую среду.

5. Многофункциональность : Будущие добавки к электролитам могут иметь несколько функций для удовлетворения потребностей различных применений. Например, добавки, обладающие способностью к самовосстановлению, могут устранить незначительные повреждения внутри аккумуляторов, продлевая срок их службы; добавки с самочувствительными возможностями могут контролировать и регулировать производительность электролита изнутри.

IV. Заключение

Присадки к электролиту — это химические вещества, добавляемые в электролит для улучшения характеристик аккумулятора при различных температурах и условиях применения. Они могут повысить стабильность и производительность батареи в условиях высоких и низких температур, а также продлить срок ее службы. Будущие направления развития включают повышение стабильности, безопасности и долговечности при высоких температурах, улучшение характеристик при низких температурах, обеспечение экологичности и многофункциональности. Конкретные используемые добавки, их типы и количества зависят от типа батареи, сценария применения и требований к конструкции. Кроме того, исследования и разработки добавок к электролитам — это сложная область, включающая междисциплинарные исследования и практику в различных дисциплинах.

Источник: https://news.metal.com/newscontent/102636186/%E3%80%90SMM-popularization-of-science:-Applications-of-Electrolyte-Additives-in-Lithium-Battery-Industry%E3%80%91