Elektrolit, neizostavna komponentalitij-ionske baterije, igra ključnu ulogu u ciklusima punjenja-pražnjenja baterije.
Ne samo da je odgovoran za učinkovit transport litijevih iona i provođenje struje, već također posjeduje svojstva elektroničke izolacije za učinkovito sprječavanje izravnog protoka elektrona između pozitivne i negativne elektrode. Slikovito govoreći, elektrolit je poput "krvi" unutar litij-ionske baterije, osiguravajući povezanost između materijala pozitivne i negativne elektrode, čime se jamči nesmetan napredak cijelog procesa-pražnjenja punjenja.
Idealan elektrolit za litij-ionsku bateriju trebao bi ispunjavati sljedećih pet zahtjeva:
(1) High ionic conductivity (>10⁻3S/cm).
(2) Wide electrochemical window (>4,5 V u odnosu na Li+/Li).
(3) Dobra kompatibilnost s elektrodama, održavajući najniži mogući međufazni otpor.
(4) Izvrsna toplinska i kemijska stabilnost, što bateriji omogućuje siguran rad u širokom temperaturnom rasponu.
(5) Niska cijena, niska toksičnost i ekološki prihvatljiva.
Sa sve većim-zahtjevima za gustoću energije baterije i gustoću snage, tehnologija baterija se brzo razvija, a materijali za elektrode su postigli ogroman napredak. Nasuprot tome, razvoj elektrolitskih sustava je zaostao. Trenutno se razvoj litij-ionskih baterijskih elektrolita može općenito klasificirati u tri vrste: ne-vodeni elektroliti s otapalima, vodeni elektroliti i čvrsti-elektroliti.
Elektrolit s ne{0}}vodenim otapalom
Ne{0}}elektroliti s otapalima u litij-ionskim baterijama odnose se na sustave elektrolita koji ne sadrže vodu, uglavnom se sastoje od otapala, otopljenih tvari (obično litijevih soli) i aditiva. Ova ne-vodena otapala obično su organska otapala, a ne vodena otapala, kako bi se izbjegla elektroliza vode ili neželjene reakcije s materijalima elektrode. Litijeve soli su primarni prijenosnici za transport litij-iona, otapala služe za otapanje, disperziju i podršku za litijeve soli, a aditivi primarno funkcioniraju za poboljšanje elektrokemijskih performansi ili sigurnosti litij-ionskih baterija.
Komercijalno dostupni elektroliti (tj. tekući elektroliti) koji se koriste u litij-ionskim baterijama prvenstveno se sastoje od jedne ili više litijevih soli otopljenih u dva ili više organskih otapala; elektroliti sastavljeni od jednog otapala vrlo su rijetki. Razlog za korištenje više otapala je -to što baterije u stvarnom svijetu imaju različite, čak i kontradiktorne zahtjeve koje je teško ispuniti korištenjem jednog otapala. Na primjer, elektroliti mogu zahtijevati visoku fluidnost dok također imaju visoku dielektričnu konstantu; stoga se otapala s različitim fizikalno-kemijskim svojstvima često koriste u kombinaciji, pokazujući različite karakteristike istovremeno. Nadalje, litijeve soli općenito se ne koriste istovremeno jer je izbor litijevih soli ograničen, a njihove prednosti nisu lako uočljive.
Idealna organska otapala trebala bi posjedovati sljedeća ključna svojstva: prvo, potrebna im je visoka dielektrična konstanta kako bi se osiguralo dobro otapanje litijevih soli; drugo, trebaju imati nisko talište i visoko vrelište kako bi se proširio radni temperaturni raspon elektrolita; treće, niska viskoznost pomaže u promicanju učinkovite migracije litijevih iona u mediju; i konačno, ova otapala bi trebala biti jeftina i imati nisku toksičnost (idealno ne-otrovna). Karbonatni spojevi, kao jedno od najranijih i najčešće korištenih organskih otapala u industriji litij-ionskih baterija, zauzimaju ključnu poziciju u polju elektrolita za baterije.
Trenutno ova vrsta otapala uglavnom uključuje dva strukturna oblika: ciklički i lančani. Tablica u nastavku sažima relevantne fizičke parametre nekoliko često korištenih ne-vodenih otapala, elektrolita i organskih otapala.
| Kategorija | Tip | Struktura | Talište (stupnjevi) | Vrelište (stupnjevi) | Individualni tlak pare (25 stupnjeva) | Relativna gustoća (25 stupnjeva )/(mPa·s) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Etilen karbonat (EC) | Ciklički | 36.4 | 248 | 89,780 | 1.904 (40 stupnjeva) | |
| Propilen karbonat (PC) | Ciklički | -48.4 | 242 | 64,920 | 2.53 | |
| karbonati | Butilen karbonat (BC) | Ciklički | -54.0 | 240 | 53,000 | 3.20 |
| Dimetil karbonat (DMC) | Linearno | 4.6 | 91 | 3,107 | 0.59 | |
| dietil karbonat (DEC) | Linearno | -74.3 | 126 | 2,805 | 0.75 | |
| Etil metil karbonat (EMC) | Linearno | -53.0 | 110 | 2,958 | 0.65 |
Trenutno se otapala alkil karbonata naširoko koriste u elektrolitima. Ova otapala posjeduju dobru otpornost na oksidaciju i pokazuju izvrsnu stabilnost u uvjetima visokog napona. Ciklički karbonati, kao što su etilen karbonat i propilen karbonat, poznati su po svojim visokim dielektričnim konstantama, što znači da mogu učinkovitije otopiti litijeve soli; međutim, zbog jakih međumolekulskih sila, ova otapala imaju visoku viskoznost, što usporava kretanje litijevih iona unutar njih. Nasuprot tome, lančani karbonati, kao što su dimetil karbonat i dietil karbonat, iako imaju nižu viskoznost, također imaju relativno niske dielektrične konstante, što rezultira relativno slabom učinkovitošću otapanja za litijeve soli. Stoga se za pripremu sustava otopina s vrhunskom ionskom vodljivošću često miješaju različite vrste otapala, poput kombinacija PC+DEC ili EC+DMC. Litijeve soli, kao izvor litijevih iona u elektrolitu, igraju glavnu ulogu u transportu litij-ionskih iona tijekom procesa punjenja i pražnjenja litij-ionskih baterija. Njihova izvedba izravno utječe na mnoge aspekte litij-ionskih baterija, uključujući gustoću energije, gustoću snage, raspon radnog napona, radni vijek i sigurnost. Trenutno se u laboratorijskim istraživanjima i industrijskoj praksi obično odabiru litijeve soli s velikim anionskim radijusom i visokom redoks stabilnošću. Na temelju njihovog kemijskog sastava, litijeve soli mogu se općenito klasificirati u dvije kategorije: anorganske litijeve soli i organske litijeve soli. Razvijeno je nekoliko anorganskih litijevih soli, uključujući LiPF6, LiClO4, LIBF i LIASF. Nasuprot tome, uobičajeno korištene organske soli litija u litij-ionskim baterijama formulirane su dodavanjem skupina-za privlačenje elektrona anionima ovih anorganskih soli litija, kao što su litijev dioksalato-borat (LiBOB), litijev difluoroksalato-borat ([iODFB]), litij difluorosulfonimid (LiFSI) i litijev ditrifluorometilsulfonimid (LTFSI). Tablica u nastavku prikazuje relevantna fizikalno-kemijska svojstva nekoliko često korištenih litijevih soli u litij-ionskim baterijama.
| Kategorija | Litijeva sol | Molekularna težina (g/mol) | Topljiv u karbonatima? | Topljiv u vodi? | Električna vodljivost (1 mol/L, EC/DMC, 20 stupnjeva) (mS/cm) |
|---|---|---|---|---|---|
| Anorganske litijeve soli | LiPF₆ | 151.91 | Da | Da | 10.00 |
| LiBF₄ | 93.74 | Da | Da | 4.50 | |
| LiClO₄ | 106.40 | Da | Da | 9.00 | |
| Organske soli litija | LiTFSI | 287.08 | Da | Da | 6.18 |
| LiFSI | 187.07 | Da | Da | 10.40 | |
| LiBOB | 193.79 | Da | Da | 0.65 |
Aditivi su tvari dodane elektrolitu u niskim koncentracijama (obično ne više od 10% mase) koje imaju specifične funkcije i mogu značajno poboljšati elektrokemijska svojstva baterije. Na temelju svojih funkcija, ti se aditivi mogu općenito klasificirati u nekoliko kategorija: aditivi za-formiranje filma, usporivači plamena i aditivi za sprječavanje prekomjernog punjenja. Osim toga, postoje aditivi koji se koriste za povećanje vodljivosti, optimiziranje performansi u uvjetima niske-temperature ili kontrolu količina u tragovima i koncentracije HF u otopini elektrolita.