Часть 4. Электролиты

Литий-ионные электролиты играют ключевую роль в батареях, обеспечивая возможность переноса заряда между анодом и катодом. Для этой цели используются литий-содержащие соли, и растворенные в органическом растворителе. Чаще всего в качестве такой соли используется гексафторфосфат лития (LiPF₆). Органические растворители действуют в качестве матриц, в которые встраиваются соли лития, благодаря реакционной способности лития, когда он оказывается в контакте с водой.

Ключевые факторы, которые должны быть обеспечены на должном уровне – это качество сырья, надлежащее растворение соли и подвижность ионов. Проведение измерений вышеуказанных параметров поможет обеспечить это.

4.1 ПЛОТНОСТЬ ЖИДКОСТИ

Качество растворителя электролита, а также растворение соли и концентрация литий-содержащих солей – ключевые факторы в обеспечении эффективности батарей. Измерение плотности электролита – быстрый и точный метод контроля качества для обеспечения надлежащего качества растворителя, а также растворения соли и её концентрации.

К наиболее часто используемым растворителям относятся: этиленкарбонат (ЭК), диметилкарбонат (ДМК), диэтилкарбонат (ДЭК), этил-метилкарбонат (ЭМК). В таблице 7 приведены некоторые характеристики этих растворителей.

Таблица 7: Характеристики некоторых растворителей, часто применяемых в литий-ионных батареях.

В литий-ионных батареях используются смеси этих растворителей в комбинации с добавками. Таким образом, плотность электролита изменяется в зависимости от состава. Кроме того, плотность электролита не изменяется с изменением степени зарядки (в отличие от свинцово-кислотных батарей), что делает этот параметр ценным для определения соответствия (или несоответствия) электролита установленным требованиям и техническим условиям.

В таблице 8 приведены примеры плотности различных составов электролитов.

Таблица 8: Плотность одного моля LiPF₆ в смесях растворителей.

Рисунок 26: Плотность LiPF₆ в различных смесях растворителей.

Таким образом, контроль растворов электролита путем измерения плотности – надежный метод для контроля качества сырья, получения сертификатов, а также проверки правильности растворения соли (т.е. точности концентраций).

4.2 ВЯЗКОСТЬ

Когда речь заходит об использовании наиболее распространенных неводных электролитов, содержащих LIPF₆, требуется решить несколько проблем. Одна из них связана со стабильностью эффективности элемента батареи в широком диапазоне температур. Критический аспект эффективности элемента батареи – это скорость зарядки и разрядки, в частности, перенос ионов. Этот аспект характеризуется ионной проводимостью, которая зависит, наряду с другими факторами, от вязкости. Соответственно, при разработке новых электролитов, измерения вязкости в различных диапазонах температур представляют собой часть исследования литий-ионной батареи. Кроме того, измерения вязкости позволяют сделать важные выводы о смачиваемости электрода электролитом.

На рисунке 27 показан температурный профиль двух имеющихся на рынке литий-ионных электролитов. Четко видно их различие по вязкости при различных температурах. Эти данные представляют собой базу данных для исследований смачиваемости и проводимости.

Рисунок 27: Сравнение стандартных литий-ионных электролитов.

На рисунке 28 демонстрируется эксперимент с термическим старением. Виден температурный профиль раствора LiPF₆ ЭК:ДЭК со следовым количеством воды после четырех недель воздействия температуры 60°C. Различия в вязкости между образцами с примесями (например, водой) также очевидны.

Рисунок 28: Эксперимент с термическим старением.

Таким образом, контроль электролитов путем измерений вязкости является надежным инструментом для исследования характеристик зарядки и разрядки на основе ионной проводимости, а также для проверки на примеси и исследования характеристик батареи в широком диапазоне температур.