Signification de l'électrolyte de batterie au lithium-ion ?

◆Que sont les électrolytes aqueux ?

◆Introduction aux électrolytes solides

L'électrolyte, un composant indispensable debatteries au lithium-ion, joue un rôle crucial dans les cycles de charge-décharge de la batterie.

Il est non seulement responsable du transport efficace des ions lithium et de la conduction du courant, mais possède également des propriétés d'isolation électronique pour empêcher efficacement le flux direct d'électrons entre les électrodes positives et négatives. Au sens figuré, l'électrolyte est comme le « sang » à l'intérieur d'une batterie lithium-ion, assurant la connectivité entre les matériaux des électrodes positives et négatives, garantissant ainsi le bon déroulement de l'ensemble du processus de charge-décharge.

Un électrolyte idéal pour une batterie lithium-ion doit répondre aux cinq exigences suivantes :

Avec les-demandes toujours croissantes en matière de densité énergétique et de densité de puissance des batteries, la technologie des batteries se développe rapidement et les matériaux d'électrodes ont fait d'énormes progrès. En revanche, le développement des systèmes électrolytiques a pris du retard. Actuellement, le développement d'électrolytes de batterie au lithium-ion peut être globalement classé en trois types : les électrolytes à solvant non-aqueux, les électrolytes aqueux et les électrolytes à l'état solide-.

Électrolyte solvant non-aqueux

 

Les électrolytes à solvant non-aqueux dans les batteries lithium-ion font référence à des systèmes électrolytiques qui ne contiennent pas d'eau, principalement composés de solvants, de solutés (généralement des sels de lithium) et d'additifs. Ces solvants non-aqueux sont généralement des solvants organiques, plutôt que des solvants aqueux, pour éviter l'électrolyse de l'eau ou les réactions indésirables avec les matériaux d'électrode. Les sels de lithium sont les principaux supports pour le transport des ions lithium-, les solvants servent à la dissolution, à la dispersion et au support des sels de lithium, et les additifs fonctionnent principalement pour améliorer les performances électrochimiques ou la sécurité des batteries lithium-ion.

Les électrolytes disponibles dans le commerce (c'est-à-dire les électrolytes liquides) utilisés dans les batteries lithium-ion sont principalement composés d'un ou plusieurs sels de lithium dissous dans au moins deux solvants organiques ; les électrolytes composés d'un seul solvant sont très rares. La raison pour laquelle nous utilisons plusieurs solvants est que les batteries du monde réel-ont des exigences différentes, voire contradictoires, difficiles à satisfaire avec un seul solvant. Par exemple, les électrolytes peuvent nécessiter une fluidité élevée tout en ayant une constante diélectrique élevée ; par conséquent, des solvants ayant des propriétés physico-chimiques différentes sont souvent utilisés en combinaison, présentant simultanément des caractéristiques différentes. De plus, les sels de lithium ne sont généralement pas utilisés simultanément car le choix des sels de lithium est limité et leurs avantages ne sont pas facilement apparents.

Les solvants organiques idéaux doivent posséder les propriétés clés suivantes : Premièrement, ils ont besoin d’une constante diélectrique élevée pour assurer une bonne dissolution des sels de lithium ; deuxièmement, ils doivent avoir un point de fusion bas et un point d’ébullition élevé pour élargir la plage de températures de fonctionnement de l’électrolyte ; troisièmement, une faible viscosité contribue à favoriser une migration efficace des ions lithium dans le milieu ; et enfin, ces solvants doivent être peu coûteux et peu toxiques (idéalement non-toxiques). Les composés carbonatés, en tant que l'un des solvants organiques les plus anciens et les plus largement utilisés dans l'industrie des batteries lithium-ion, occupent une position cruciale dans le domaine des électrolytes de batterie.

Actuellement, ce type de solvant comprend principalement deux formes structurales : cyclique et en chaîne. Le tableau ci-dessous résume les paramètres physiques pertinents de plusieurs solvants non-aqueux, électrolytes et solvants organiques couramment utilisés.

Actuellement, les solvants carbonates d’alkyle sont largement utilisés dans les électrolytes. Ces solvants possèdent une bonne résistance à l'oxydation et présentent une excellente stabilité dans des conditions de haute tension. Les carbonates cycliques, tels que le carbonate d'éthylène et le carbonate de propylène, sont connus pour leurs constantes diélectriques élevées, ce qui signifie qu'ils peuvent dissoudre plus efficacement les sels de lithium ; cependant, en raison de fortes forces intermoléculaires, ces solvants ont une viscosité élevée, ce qui ralentit le mouvement des ions lithium en leur sein. En revanche, les carbonates à chaîne, tels que le carbonate de diméthyle et le carbonate de diéthyle, bien qu'ayant une viscosité plus faible, ont également des constantes diélectriques relativement faibles, ce qui entraîne une efficacité de dissolution relativement faible pour les sels de lithium. Par conséquent, pour préparer des systèmes de solutions présentant une conductivité ionique supérieure, différents types de solvants sont souvent mélangés, tels que des combinaisons PC+DEC ou EC+DMC. Les sels de lithium, en tant que source d'ions lithium dans l'électrolyte, jouent un rôle majeur dans le transport des ions lithium- pendant le processus de charge et de décharge des batteries lithium-ion. Leurs performances affectent directement de nombreux aspects des batteries lithium-ion, notamment la densité énergétique, la densité de puissance, la plage de tension de fonctionnement, la durée de vie et la sécurité. Actuellement, dans la recherche en laboratoire et dans la pratique industrielle, les sels de lithium présentant un grand rayon anionique et une stabilité redox élevée sont généralement sélectionnés. En fonction de leur composition chimique, les sels de lithium peuvent être globalement classés en deux catégories : les sels de lithium inorganiques et les sels de lithium organiques. Plusieurs sels de lithium inorganiques ont été développés, notamment LiPF6, LiClO4, LIBF et LIASF. En revanche, les sels de lithium organiques couramment utilisés dans les batteries au lithium-ion sont formulés en ajoutant des groupes attracteurs d'électrons-aux anions de ces sels de lithium inorganiques, tels que le dioxalato-borate de lithium (LiBOB), le difluorooxalato-borate de lithium ([iODFB]), le difluorosulfonylimide de lithium (LiFSI) et le ditrifluorométhylsulfonylimide de lithium. (LTFSI).Le tableau ci-dessous présente les propriétés physicochimiques pertinentes de plusieurs sels de lithium couramment utilisés dans les batteries lithium-ion.

Les additifs sont des substances ajoutées à l'électrolyte en faibles concentrations (généralement pas plus de 10 % en masse) qui ont des fonctions spécifiques et peuvent améliorer considérablement les caractéristiques électrochimiques de la batterie. En fonction de leurs fonctions, ces additifs peuvent être globalement classés en plusieurs catégories : -additifs filmogènes, retardateurs de flamme et additifs pour éviter les surcharges. De plus, certains additifs sont utilisés pour améliorer la conductivité, optimiser les performances dans des conditions de basse -température ou contrôler les traces et les concentrations de HF dans la solution électrolytique.